Опытные гидрогеологические работы. Бурение и оборудование гидрогеологических скважин различного назначения. Оборудование и использование, состав работ и наблюдений

Существуют след категории ГГ скважин: 1) картировочные (поисково-картировочные); 2) разведочные; 3) разведочно-эксплуатационные; 4) эксплуатационные; 5) опытные; 6) наблюдательные; 7) режимные.

1) Наиболее массовые скважины, их бурение проводится на стадии ГГ съемки. Если производится поиск МПВ, то эти скважины рассматриваются как поисково-картировочные. Нужны для изучения ГГ разреза (по керну или шламу, а также каротажу), раздельного опробования всех водоносных горизонтов (опред. уровень, температура, хим анализ, пробная откачка), вскрытых при бурении.

2) Разведочные – ориентированы на изучение конкретного горизонта, предполагаемая перспективность которого установлена на стадии поисков. Конструкция скважины должна обеспечивать надежную изоляцию изучаемого интервала и возможность проведения необходимого комплекса испытаний (откачки, наливы, нагнетания, термометрия, расходометрия, отбор проб горных пород, воды и газа и др)

3) Если после проведения испытаний, разведочную скважину планируется передать в эксплуатацию, то она относится к категории разведочно-эксплуатационных и к её конструкции предъявляются соответствующие требования.

4) Эксплуатационные – всегда бурятся на продуктивный водоносный горизонт, разведочные исследования которого в необходимом объеме выполнены на предыдущих стадиях. Скважина должна обеспечивать нормальную многолетнюю эксплуатацию с проектными величинами дебита и сохранением соответствующего состава и качества воды. Поэтому необходимо ставить фильтр соответствующей конструкции, а сама скважина должна иметь диаметр, достаточный для установки водоподъемного устройства (насоса) соответствующего типа.

5) В качестве опытных используются как специально пробуренные скважины, так и скважины других типов (1-7). Их конструкция должна обеспечить выполнение полного комплекса необходимых опробований.

6) наблюдательные – оборудуются в комплексе с опытными (кусты скважин) для фиксирования изменений характеристик подземных вод (уровни, минерализация и др.). Они проходятся обычно малым диаметром и имеют простую конструкцию, поскольку в них чаще всего производятся только замеры уровней и отбор проб воды на анализ. В ряде случаев (например при оценке миграционных параметров в сложных условиях) в набл скв предусматривается проведение более сложных исследований (кавернометрия, расходометрия, каротаж …)

7) Для проведения систематических наблюдений за изменением характеристик пв во времени (уровни, t, химия). Чаще используются скважины типов 1-6, изредка оборудуются для этого специальные скважины.

Основные эл-ты конструции ГГ скважин: водоподъемная колонна необходимого диаметра, фильтр (фильтровая колонна с отстойником), элементы конструкции, обеспечивающие изоляцию опробуемого интервала (водоносного горизонта) от смежных водоносных горизонтов – это обсадные трубы с затрубной цементацией и сальник (тампон), который устанавливается между фильтром и внешней обсадной колонной. Диаметр эксплуатационной скважины должен обеспечивать возможность использования испытательного и водоподъемного оборудования.

Фильтры – предохраняют стенки испытуемого интервала от обрушения и обеспечивают хорошую гидравлическую связь водоносного горизонта и столба воды в скв.
При необходимости раздельного опробования нескольких горизонтов осуществляется последовательная изоляция уже опробованных интервалов. При этом для изоляции используются специальные сальники и тампоны (пакеры) нажимного или пневматического действия.

Опытные работы:

1. опытные наливы в шурфы – определение фильтрационных свойств зоны аэрации при залегании ГВ на глубине более 4-5 м.

2. откачки из скважин – наиболее массовый вид ОФР. Бывают опытные, пробные и опытно-эксплуатационные. Пробные – 6-10 часов. Опытные – основной метод оценки фильтр параметров водоносного гор-та. Бывают одиночные и кустовые. Кустовые проводятся в течение 10-15 сут и более, как правило при двух-трех понижениях уровня. После завершения откачки проводятся наблюдения за восстановлением уровня.

Опытно-эксплуатационные проводятся на стадии детальной разведки месторождения со сложными условиями. Этот вид опытных работ является методом оценки эксплуатационных запасов пв в условиях, когда обоснование расчетной фильтрационной схемы для использования аналитических методов оценки запасов или моделирования представляет значительные трудности. Длительность – 1-3 мес, иногда более года.

3. Опытные наливы и нагнетания – проводятся с целью определения удельных поглощений и фильтрационных свойств как ненасыщенных, так и водоносных пород. При наливе поддерживается свободный уровень воды, а при нагнетании фильтрация осуществляется при избыточном напоре над верхней границей опробуемого интервала. Определяемая величина удельного водопоглощения равна расходу на 1 м длины опробуемого интервала при напоре, равном 1 м.

4. Индикаторные методы – для определения действительной скорости движения и параметров миграции подземных вод. В опытную скважину производится запуск индикатора – трассера, а в наблюдательных фиксируется появление трассера через определенное время t.

5. Расходометрия – метод определения и анализа профиля расхода вертикального потока по стволу скважины в естественных условиях, а также при производстве откачки или налива с целью изучения вертикальной фильтрационной неоднородности водоносного горизонта. Оценку расхода вертикального потока в стволе скважины производят расходомером. Скорости вертикального потока определяют по тарировочным кривым. Оценка проводимости выделенных водоносных слоев проводится из отношения суммарного значения проводимости пласта, определенного другими методами, к суммарному расходу вертикального потока в стволе скважины и значения расхода по конкретному водоносному слою.

8 вопрос: Основной закон фильтрации (Дарси)

Устанавливает связь между потерями напора и скоростями фильтрации.

Q=k*w*I (Q – расход потока, k – коэффициент фильтрации, w – площадь поперечного сечения, I – градиент напора, I= ΔH/l, где l – длина пути фильтрации)

Потеря напора выражается через градиент скорости фильтрации, являющийся мерой расхода потока, отнесенной к единице площади (коэффициент пропорциональности есть коэффициент фильтрации).

Коэффициент фильтрации зависит от:

- гидродинамической характеристики воды

- строения порово-трещинной среды

Ж. Дюпюи ввел понятие скорости фильтрации (v). v=Q/w.

Таким образом, закон Дарси преобразуется в: v=k*I

Vимеет размерность скорости, однако по существу является мерой расхода фильтрационного потока и отличается от действительной скорости фильтрации (u), потому что при ее определении в расчет принимается вся площадь поперечного сечения, а не площадь порового пространства. Действительная скорость фильтрации обратно пропорциональна активной пористости (n_a), т.е. тем пустотам, которые отвечают за движение воды). n_a=Va/vг.п. (где Va – объем активных пор, а vг.п. – общий объем горной породы). Таким образом, действительная скорость фильтрации u=Q/wn_a

Нарушения закона Дарси

Закон Дарси имеет широкую область применения и является основным законом фильтрации. Однако существуют условия, при которых он нарушается.

1) Верхняя граница применимости закона Дарси

Проявляется при больших скоростях фильтраций. В таких условиях появляется турбулентное течение в отдельных типах горных пород, существенно влияют инерционные и пульсационные силы. Они оказываются пропорциональными квадрату скорости фильтрации. Таким образом, при верхней границей применимости з-на Д. в потоке наряду с действием сил вязкого трения, которые в соответствии с з-ном Ньютона должны быть пропорциональны скорости течения, заметно влияют инерционно-пульсационные силы, имеющие квадратичную зависимость от скорости течения.

Значит, при больших скоростях течения достоверна двучленная зависимость вида:

I= a*v +b*v²

, где a*v представляет собой линейный член (определяется коэффициентом фильтрации к, а=1/к),а b*v² – квадратичный.

Полученную зависимость удобнее представить в виде:

I= (1+α_н*v)

2 параметра характеризуют независимо:

1 – к – характеризует линейную часть, соответствует ламинарному течению

2 - α_н – параметр нелинейности, характеризует квадратичную часть

Двучленная зависимость универсальна, поскольку она охватывает предельные условия: наступление ламинарного режима при при малых скоростях фильтрации (когда квадратичный член становится пренебрежимо малым по сравнению с линейным), и турбулентного режима (когда линейным членом можно пренебречь).

Связь α_н с к: α_н=1/2* (v – это «ню», коэффициент кинематической вязкости)

Границей применения закона Дарси будет такая граница, при которой:

α_н*v_кр=ε

v_кр- критическая скорость фильтрации

ε - допустимая погрешность расчетов

Закон Дарси работает при ε>1.

Критическая скорость определяется соотношением: v_кр= ε/ α_н=2 ε .

2) Нижняя граница применимости закона Дарси

Возникает при проявлении вязкопластичного течения (когда начинают действовать силы молекулярного притяжения).

Так же возможна такая ситуация, при которой прекращается вязкое течение и остается лишь пластичное.

Характеризуется величиной начального градиента I₀.

В таких условиях из всех сил наибольшее влияние на поток производит начальное сопротивление сдвигу (τ₀). Для оценки этой величины применияется модель пучка извилистых капилляров.

I₀== * , где

Χ – коэффициент извилистости (для линейного потока не учитывается)

ϒ – объемный вес воды (ϒ=рв*g)

Rt – радиус труб. Неудобная величина, потому используется с помощью коэффициента фильтрации: Х* Rt =

Вопрос 9. Гравитационная и упругая емкость.

В связи с наличием свободного пространства, не заполненногоминеральным веществом, практически все горные породы характеризуютсяопределенными емкостными свойствами (емкостью) имогут содержать (вмещать) определенное количество воды, воздуха,газов и других жидкостей.

Емкостные свойства г.п. отражают их способность к водоотдаче или водонасыщению, в процессе нестационарной фильтрации либо при изменении степени заполнения пор и трещин водой, либо в результате изменения порового объема водоносных г.п. и плотности воды при упругих или упруго-пластических деформациях сжатия-растяжения; соответственно в первом случае имеется в виду свободная (гравитационная) емкость, а во втором – упругая емкость г.п. Рассмотрим емкостные свойства отдельно для безнапорных пластов, где емкость имеет преимущественно гравитационный характер, и для напорных пластов, где она имеет исключительно упругий характер.

В безнапорных пластах при нестационарном режиме происходят колебания свободной поверхности потока, приводящие к осушению или насыщению пласта (соответственно при снижении и повышении уровней). Для характеристики этого процесса используется величина гравитационной емкости µ, представляющая собой изменение количества воды в породе при гравитационном осушении или насыщении, отнесенное к объему породы. При опускании свободной поверхности µ соответствует водоотдаче µ_в, а при повышении свободной поверхности – недостатку насыщения µ_н. Балансовая структура µ_в и µ_н представляется след формулами:

µ_в = n₀ – w_в – w_ст, µ_н = n₀ – w_в + w₀, где n₀ – активная пористость породы; w_ст – влажность стыковой воды (в углах пор); w₀ – влажность грунта в исходном состоянии (до насыщения); w_в – относительное объемное влагосодержание защемленного воздуха и иммобилизованной воды.

Поскольку величина µ используется как балансовая характеристика изменения объема воды в гравитационной зоне потока, то более правильно определять ее как отношение изменения объема воды в гравитационной зоне потока к изменению объема этой зоны, т.е. как изменение емкости гравитационной зоны ΔV₀ в единичном элементе безнапорного пласта (т.е. в элементе единичной площади в плане), отнесенное к изменению уровня свободной поверхности потока ΔH: µ = ΔV₀/ ΔH.

Величины µ существенно зависят от литологического строения и состава г.п.

Упругая емкость характеризует изменение водонасыщенностиг.п., обусловленное их деформациями, возникающими при изменении напряженного состояния пласта вследствие действия гидродинамических факторов (изменение напора, водоотбора и т.п.).

Для обоснования параметров упругой емкости рассмотрим деформации элемента водоносного пласта объемом V_п под действием изменений давлений в воде p.Массовое количество воды в этом элементе будет M = γ*n* V_п,а его изменения ΔM = Δ(p*n* V_п). Вводя в это выражение вместо пористости коэффициент пористости e и учитывая соотношение n = e/ (1+e), обратим внимание на то, что величина V_п/(1+e) представляет собой объем скелета породы в рассматриваемом элементе пласта. Поскольку скелет породы значительно прочнее самой породы, то при деформациях породы объем скелета можно считать неизменным. Тогда можно записать, что V_п/(1+e) = const,

ΔM = Δ(p*n* V_п) = Δ(p*e* V_п/(1+e)) = V_п/(1+e)* Δ(p*e) = V_п/(1+e)* (Δe*p+ Δp*e).

В качестве удельной характеристики упругой емкости, проявляющейся при действии гидродинамических факторов, введем упругую емкость (упругоемкость) породы η*, представляющую собой изменения объема воды, отнесенное к объему породы при единичном изменении напора.

В качестве удельной характеристики упругой емкости всего пласта нецелесообразно использовать упругую емкость пласта µ*, которая представляет собой отношение изменения объема воды в единичном элементе пласта к изменению напора (при действии гидродинамических факторов): µ* = ΔV₀/ ΔH,

Причем для водоносного пласта мощностью m имеем µ* = m *η*.

Поток подземных вод, представление о режиме, структуре течения и балансе. Типизация потоков подземных вод по условиям залегания водоносных толщ. Геофильтpационная схематизация, ее этапы - режим, пространственная структура, границы, геофильтрационные параметры

Поток подземных вод - ограниченный естественными границами элемент подземной гидросферы с единым направлением (едиными направлениями) движения подземных вод.

Расходом фильтрационного потока Q называется количество воды, проходящее в единицу времени через поперечное сечение потока (см3 / с , л/с, м3/сут и т.д.).

Все естественные границы потоков подземных вод подразделяются на границы двух типов: так называемые непроницаемые границы, изолирующие смежные потоки подземных вод, и условныеестественные границы, через которые возможно взаимодействие (наличие расхода) двух смежных потоков подземных вод. Естественными непроницаемыми границами потоков являются водоразделы,под которыми аналогично поверхностным водоразделам понимаются линии с наиболее высоким положением поверхности подземных вод, разделяющие потоки с различными направлениямидвижения, дрены, и границы (контакты) водоносных и слабопроницаемых пород.

Границы водоносных и слабопроницаемых пород являются основным типом границ потока в разрезе и реже границами потоков в плане (по площади распространения). В большинстве случаев границы подобного типа не являются абсолютно непроницаемыми, и через них осуществляется затрудненное взаимодействие двух смежных потоков подземных вод.

В качестве естественных границ второго типа (с условием взаимодействия двух смежных потоков подземных вод) обычно рассматриваются границы геологических структур, геологическихформаций, субформаций и литогенетических комплексов горных пород, границы геоморфологических элементов современной поверхности и др.

Уравнение движения V_l=-k_l*(dH/dl) («-» - в зависимости от выбора направления)

Уравнение баланса потока (неразрывности): суммаQ=dV/dl

Основная функция – характеристика – напор (определяется Vтечения по направлению течения – линии тока)

Потоки: 1) Напорный2) Безнапорный

3) Субнапорный – может быть 1 и 2 в зависимости от способа бурения и вскрытия водоносного горизонта (какая ёмкость определяет поток, гравитационная – безнапорный, упругая – напорный).

Структура потока описывается гидродинамической сеткой (системой линий тока и линий равных напоров). Включает в себя понятие об основных направлениях потока, откуда и куда течет; рассматривает пространственное соотношение между характером питания и разгрузкой.

По характеру деформации потоки: 1)Пространственный; 2) Плановый; 3) Линейный; 4) Профильный.

Геофильтрационная схематизация – переход от описания потока подземных вод к терминологии в гидрогеодинамике.

Этапы: 1) Время – обоснование стационарный или нестационарный процесс (режим)

2) Пространство – выбирается расчетная пространственная структура потока

3) Гриницы – определяется форма границ потока, задаются граничные условия

4) Параметры – геофильтрационные параметры питания (разгрузки) и строения (структуры).