Опытно-фильтрационные работы

Опытно-фильтрационные работы (опробования) являются ос­новным видом гидрогеологических исследований, обеспечиваю­щих определение характеристик водоносных горизонтов (удельные дебиты скважин, температура, минерализация воды и др.), а также оценку гидродинамических и миграционных параметров водонос­ных и слабопроницаемых пород.

Основными видами опытно-фильтрационных работ, которые проводятся не только при гидрогеологических, но и при других исследованиях, являются: наливы в шурфы и котлованы, откачки, наливы и нагнетания в скважины, индикаторные исследования, рас- ходометрия скважин и другие методы (Климентов, Кононов, 1989).

Опытные наливы в шурфы являются наиболее распространен­ным методом оценки фильтрационных свойств (Аф) пород зоны аэрации (ненасыщенной зоны) при глубине залегания уровня грунтовых вод более 4—5 м. В ходе опыта проводится регистра­ция фильтрационного расхода через дно шурфа при постоянном положении уровня воды в шурфе и слое воды над дном шурфа (h) примерно равным 10 см. При наиболее простой схеме опыта (способ А.К. Болдырева) принимается, что фильтрация через дно шурфа с установившимся расходом (Q) осуществляется при дей­ствующем напорном градиенте (/? + /)// = I, где / — глубина проса­чивания воды. При принятых допущениях

K_ib = v=Q/f (18.1)

где Аф — коэффициент фильтрации, численно равный скорости фильтрации (о), м/сут; Q — установившийся расход воды через дно шурфа, м³/сут; / — площадь дна шурфа, м².

В рассмотренной постановке схема опыта не учитывает расход бокового растекания через стенки и дно шурфа, влияние капил­лярных сил, которые особенно существенны при наливах в сугли­нистых и глинистых породах и высоту слоя воды в шурфе.

Перечисленные недостатки устраняются при проведении на­лива по способу Н.С. Нестерова (рис. 18.2).

При использовании этого способа в дно шурфа устанавливаются (залавливаются на глубину 5—10 см) два кольца: внутреннее и внешнее. Налив осуществляется в оба кольца с использованием двух инфильтрометров (сосудов Мариотта), с помощью которых во внешнем и внутреннем кольцах поддерживается единый уро­вень воды (см. рис. 18.2). Принимается, что расход на боковое растекание и капиллярное всасывание формируется из кольцевого промежутка между внутренним и внешним кольцами, а расход из внутреннего кольца расходуется на фильтрацию в вертикальном направлении. Глубина просачивания (/) определяется с помощью отбора образцов грунта для определения влажности из скважины, которая бурится в центре внутреннего кольца после окончания на­лива, или с помощью нейтронного измерителя влажности (НИВ).

Для оценки коэффициента фильтрации (Аф) используется ве­личина установившегося расхода (Q) из внутреннего кольца и значение напорного градиента У= (А₀ + h_k+ /)//.

Другие схемы проведения наливов в шурфы (способы Н.К. Гиринского. Н.Н. Биндемана), а также методы обработки результатов опытов, рассмотренных здесь и далее, приводятся в специальной литературе, рекомендованной к гл. 18.

Откачки из скважин являются основным (наиболее массовым) видом опытно-фильтрационных работ. По своему назначению, организации и получаемым результатам они подразделяются на пробные, опытные и опытно-жсгыуатационные.

Пробные откачки являются основным видом опробования кар­тировочных скважин, но также выполняются на всех типах гид­рогеологических скважин перед их дальнейшим использованием в качестве опытных, разведочно-эксплуатационных и др. Они обычно бывают кратковременными (одна бригадосмена 6—10 ч, реже более) с одним понижением уровня. Основными задачами пробных откачек является прочистка (прокачка) скважины после окончания буровых работ, определение удельного дебита скважи­ны, который является удобной сравнительной характеристикой водообильности различных водоносных горизонтов или интерва­лов (<?_уд= Q/S, где Q — дебит скважины, л/с, м³/ч и др.; S — ве­личина понижения уровня воды при откачке, м), ориентировочная оценка проводимости водоносного горизонта (Т= Km, м²/сут), от­бор пробы воды для определения химического состава.

1

Рис. 18.2. Схема фильтрации при наливе в кольцевые инфильтрометры (способ Н.С. Нестерова). 1 — мерный бачок (сосуд Мариотта); 2— “воздушная” трубка; 3 — "водяная” трубка; 4 — водомерная шкала; 5 — штатив; 6 — внутреннее кольцо; 7— внешнее кольцо (Полевые методы..., 2000)

о з

о 2 о 1

0

1

о

4

0

1

о

2

О

3

>Ш²!

Опытные откачки являются основным методом оценки фильт­рационных (гидродинамических) параметров водоносных и сла­бопроницаемых пород: коэффициентов фильтрации, водопрово- димости, пьезо- и уровнепроводности, водоотдачи, параметров перетекания и др. По схеме проведения опыта они подразделяются на одиночные и кустовые откачки. Одиночные опытные откачки в отличие от пробных выполняются с двумя-тремя понижениями уровня и дают только дополнительную возможность оценки зависи­мости дебита скважины от величины понижения уровня: Q=f(s).

Схема проведения кустовых опытных откачек предусматривает оборудование кроме опытной скважины, из которой осуществля­ется откачка, нескольких наблюдательных скважин, по которым ведется регистрация изменений положения уровня и реже мине­рализации подземных вод в процессе проведения опыта. В зави­симости от задач опыта наблюдательные скважины оборудуются непосредственно на испытуемый пласт (один или два луча при необходимости оценки анизотропии пласта) или на смежные водо­носные горизонты при оценке ^А их взаимодействия (рис. 18.3).

Расстояния наблюдательных

Рис. 18.3. Схемы размещения сква­жин при проведении кустовых от­качек. А — в плане, при оценке па­раметров (анизотропии) пласта по двум направлениям: Б — в разрезе, при исследовании взаимодействия двух, ярусно залегающих водонос­ных горизонтов. I — опытные сква­жины; 1—5 — наблюдательные сква­жины; I — водоносные породы,

2. — слабопроницаемые породы,

3. — фильтры опытных и наблюда­

тельных скважин

скважин от опытной опреде­ляются предварительным рас­четом исходя из того, чтобы в наиболее удаленной сква­жине (рис. 18.3) величина по­нижения уровня в процессе опыта была больше возмож­ной погрешности его опреде­ления.

Кустовые опытные откачки проводятся в течение 10—15 сут и более, как правило, при двух-трех понижениях уровня. После за­вершения откачки (на каждом этапе) проводятся наблюдения за восстановлением уровня. В том случае, если откачка из одной опытной скважины не обеспечивает достижения необходимых понижений уровня, может проводиться групповая откачка из не­скольких опытных скважин.

Опытно-эксплуатационные откачки из одной или нескольких скважин проводятся на стадии детальной разведки месторожде­ний подземных вод со сложными гидрогеологическими условия­ми с суммарным дебитом, соизмеримым (в пределах порядка) с величиной проектируемого эксплуатационного водоотбора. Этот вид опытных работ фактически является методом оценки эксплуа­тационных запасов подземных вод в условиях, когда обоснование расчетной фильтрационной схемы для использования аналити­ческих методов оценки запасов или моделирования представляет значительные трудности.

Длительность проведения таких откачек может составлять 1—3 ме­сяца, в особых случаях до года и более. Основными задачами их проведения являются: установление характера зависимости деби­та скважины от величины понижения уровня (Q=f(s)), оценка взаимовлияния (“срезок” уровней) при откачках из группы сква­жин, а также оценка возможных изменений минерализации и качества подземных вод при взаимодействии эксплуатируемого водоносного горизонта со смежными (в последнем случае опыты, как правило, являются наиболее продолжительными).

Опытные наливы и нагнетания в скважины проводятся с целью определения удельных поглощений и фильтрационных свойств как ненасыщенных (неводоносных), так и водоносных горных пород. При наливе в пределах опробуемого интервала горной поро­ды поддерживается свободный уровень воды; при нагнетании — фильтрация (поглощение воды) осуществляется при избыточном напоре над верхней границей опробуемого интервала. Опытные наливы проводятся главным образом при оценках фильтрацион­ных свойств рыхлых и трещиноватых пород зоны аэрации при значительных глубинах залегания уровня грунтовых вод. Опытные нагнетания в водоносные и ненасыщенные горные породы широ­ко используются при инженерно-геологических изысканиях для сравнительной (качественной) оценки проницаемости и трещино­ватости скальных пород. Опыты проводятся в одиночной скважи­не непосредственно в процессе бурения чаще по схеме “сверху вниз” (поинтервально) при условии изоляции вышележащих (уже опробованных) интервалов. Оцениваемой характеристикой яв­ляется величина удельного водопоглощения (q), равная расходу (л/мин) на 1 м длины опробуемого интервала при напоре, равном 1 м. Интервалы с максимальными (для данного разреза) величина­ми удельного поглощения характеризуют положение зон с интен­сивной трещиноватостью или закарстованностью или с наличием крупной единичной трещины, что уточняется при последующих исследованиях скважины.

Оценки водопроницаемости ненасыщенных или водоносных горных пород (А'ф) наливами и нагнетаниями в скважины в опре­деленном смысле являются опытами, обратными откачкам. Они проводятся как в одиночных (опытных) скважинах, так и в кустах скважин (с одной или несколькими наблюдательными) при необ­ходимости получения более достоверных оценок. Опыты могут проводиться при установившемся режиме с постоянным расходом и напором (при их стабилизации) или неустановившемся режиме — при постоянном расходе (Q = const) или напоре (//= const). Рас­четная схема и режим опыта определяют методику обработки результатов и выбор аналитических зависимостей для оценки водопроницаемости. При этом часто используются расчетные за­висимости, применяемые при откачках из скважин, в которых вместо понижений уровня учитываются соответствующие повы­шения уровня в опытной и наблюдательных скважинах (Климен­тов, Кононов, 1989).

Индикаторные методы исследования в скважинах проводятся с целью определения действительной скорости движения и парамет­ров миграции подземных вод: эффективной пористости, микродис­персии и др. Схема опыта включает наличие опытной скважины, в которую производится запуск индикатора (трассера), и наблюда­тельной скважины (нескольких скважин), в которой фиксируется появление трассера через соответствующий интервал времени At.

Опыт может производиться в условиях естественного потока (в этом случае наблюдательная скважина должна располагаться строго по направлению движения подземных вод), а также при наливе (нагнетании) в опытную скважину или при откачке из на­блюдательной.

В качестве индикаторов используются красящие вещества (флюоресцеин, метиленовый синий, эритрозин и др.), электроли­ты (поваренная соль, хлорид аммония, соли лития и др.), и неко­торые радиоактивные вещества. Трассер может подаваться в опытную скважину в течение всего опыта (до стабилизации его концентрации в наблюдательной скважине) или в виде кратко­временного “пакетного” запуска. Регистрация поступления трас­

сера в наблюдательную скважину осуществляется с помощью ко­лориметрических, химических или электролитических методов. В простейшем случае оценка концентрации трассера в воде на­блюдательной скважины (флюороскопические или химические определения) производится анализом проб воды, которые отбира­ются через установленные интервалы времени. При отборе проб в той или иной мере всегда происходит перемешивание столба воды в наблюдательной скважине, поэтому такой способ регистра­ции не обеспечивает получение поинтервальных оценок. Наиболее надежным и информативным является способ использования спе­циальных датчиков, регистрирующих изменение удельных элект­рических сопротивлений воды (электролитический способ) или интенсивности излучения (при использовании радиоактивных изо­топов). Датчики с регистрирующим устройством на поверхности земли устанавливаются с определенными интервалами в пределах всей мощности испытуемого пласта или у зон с повышенной тре­щиноватостью, закарстованностью, положение которых было ус­тановлено при предыдущих опробованиях. Результаты наблюде­ний представляются в виде графика, отражающего изменение концентрации индикатора (C=f(t)) в наблюдательной скважине (рис. 18.4). В зависимости от строения геолого-гидрогеологиче- ского разреза опытного участка, задач исследования и технических возможностей индикаторные исследования выполняются в раз­личной постановке (наличие наблюдательных скважин, их коли­чество, расстояния от опытной, схема запуска индикатора, способы регистрации и др.).

Расходометрия скважин является методом 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. Опыт, как правило, проводится в необсаженном интервале (скважине) или при сплошной обсад­ке интервала перфорированной трубой (дырчатый или щелистый фильтр).

Рис. 18.4. Графики изменения концентра­ции трассера в наблюдательной скважине при проведении индикаторных опытов: I — “постоянный" запуск трассера в те­чение всего опыта; 2 — кратковременный “пакетный" запуск трассера. Остальные обозначения даны в тексте

В естественных условиях формирование вертикального потока в стволе скважины, вскрывающей неоднородный пласт, может быть связано с наличием в разрезе пласта водоносных слоев с различной величиной напора, что характерно для участков ин­тенсивного питания или разгрузки подземных вод. При близких значениях напора в водоносных слоях (наиболее общий случай) опыт проводится с формированием вертикального потока в стволе опытной скважины в результате проведения откачки или налива. В этом случае изменение расхода вертикального потока (увеличе­ние при откачке или уменьшение при наливе) связано с притоком (поглощением) по водоносным слоям разреза. Интенсивность из­менения расхода определяется проводимостью конкретного водо­носного слоя. В пределах слабопроницаемых слоев разреза изме­нения расхода вертикального потока практически не происходят. Границы слоев с предполагаемой различной проводимостью опре­деляются по литологическому составу и состоянию (трещинова­тость, закарстованность) горных пород на основе анализа керна или по данным предшествующих каротажных исследований.

Оценка расхода вертикального потока в стволе скважины про­изводится расходомером, конструкция которого состоит из крыль­чатки (вертушки), регистрирующего устройства, передающего на пульт скорость вращения лопастей крыльчатки (/? — число обо­ротов в 1 мин), направляющих шин (фонаря) для установки при­бора строго по центру скважины, лебедки и троса, на котором расходомер опускается в скважину. Скорость вертикального по­тока (v =/(/?)) или непосредственно расход (Q=f{d, п), где d — диаметр скважины), определяются по тарировочным кривым.

С помощью лебедки расходомер устанавливается на границах выделенных слоев, где и производятся измерения расхода вер­тикального потока в стволе скважины. Расход воды в интервале выделенного слоя рассчитывается по разности расходов верти­кального потока в кровле и подошве слоя. Результаты оценки представляются в виде графика поинтервального изменения рас­хода вертикального потока в стволе скважины и значений удель­ного (л/с • м) расхода по каждому интервалу (рис. 18.5). Оценка водопроводимости (7) выделенных водоносных слоев проводится из отношения суммарного значения проводимости пласта (7^), определенного с помощью других методов, к суммарному расходу вертикального потока в стволе скважины (Q_±) и значения расхода по конкретному водоносному слою.

Рис. 18.5. Графики результатов расходометрических исследований скважины: 1—4 — границы слоев, выделенных в разрезе скважины. Остальные обозначения даны в тексте

Технические средства, применяемые при гидрогеологическом опробовании скважин, включают водоподъемные (нагнетательные) устройства, а также приборы и приспособления для измерений дебита (расхода), уровня воды в скважинах, температуры и отбора проб.

Откачка (отбор) воды из скважин может производиться в ре­жимах самоизлива (при положении установившегося уровня воды выше устья скважины) или принудительного водоподъема. В зави­симости от назначения опыта, конструкции скважины и наличия оборудования при производстве откачек используются водоподъем­ные устройства (насосы) различного типа (Климентов, Кононов, 1989; и др.). При выборе водоподъемного оборудования учитыва­ются: производительность насоса, м³/ч; высота подъема, опреде­ляемая глубиной залегания установившегося уровня воды в скважи­не, м; тип двигателя: компрессор, двигатель внутреннего сгорания, электродвигатель и др.; способ установки — на устье скважины (на поверхности земли) или с погружением под уровень воды в скважине; возможность откачки воды со значительным содержа­нием минеральных частиц.

При производстве пробных откачек из картировочных скважин наиболее часто используются эрлифты (эрлифтные установки). В некоторых случаях они применяются и при производстве опыт­ных откачек (рис. 18.6).

Рис. 18.6. Схемы монтажа эрлифтов (Полевые методы..., 2000): а — “рядом"; б. в — “внутри”: / — воздухопроводные трубы (от компрессора); 2 — водоподъем­ные трубы; J — форсунка (смеситель); 4 — уровнезамерная трубка; 5 — дина­мический уровень воды

Действие эрлифта основано на подаче в ствол скважины сжато­го воздуха с образованием воздушно-водя ной смеси — эмульсии, подъем которой и излив из скважины происходит за счет ее мень­шего (в сравнении с водой) удельного веса. Конструкция эрлифта состоит из воздухопроводной и водоподъемной труб и смесителя (рис. 18.6). Простота конструкции установки обеспечивает воз­можность откачки воды со значительным содержанием минераль­ных частиц, что позволяет эффективно применять эрлифты для прокачки скважин непосредственно после бурения. Эрлифтные установки работают от компрессора, доставка которого к буровой скважине не представляет трудностей. Недостатками эрлифтов являются их низкий КПД (не более 25—30%) и необходимость относительно глубокого погружения смесителя под уровень воды в скважине. Оптимальное отношение глубины погружения сме­сителя к глубине залегания динамического уровня ////? = 2—2,5, что во многих случаях требует соответствующего увеличения глу­бины картировочных скважин (рис. 18.6).

При опытных откачках из скважин с глубинами динамического уровня до 10 м используются также горизонтальные центробежные насосы с двигателем внутреннего сгорания или электродвигателем, а при больших глубинах — вертикальные центробежные насосы поверхностного типа с электродвигателем. На стадии детальной разведки крупных месторождений подземных вод при проведении опытно-эксплуатационных откачек и эксплуатации, как правило, используются вертикальные центробежные насосы с погружными (установка под уровень воды в скважине) или поверхностными электродвигателями, которые обеспечивают подъем воды при глубинах залегания уровня до 100—700 м и более с производи­тельностью от 100—300 до 700—800 м³/ч (Климентов, Кононов, 1989). Насосы этого типа требуют стационарного обеспечения электроэнергией большой мощности (наличие собственной ЛЭП) и практически полного отсутствия минеральных частиц в отка­чиваемой воде, поэтому они, как правило, не применяются при поисково-картировочных работах и кратковременных опытных опробованиях.

Измерения дебита опытных скважин при откачках в большин­стве случаев производятся простейшим объемным способом, по­скольку непосредственно к опытному участку может быть достав­лена измерительная емкость практически любого необходимого размера. При продолжительном проведении работ на опытном участке измерение дебитов с расходами до 1,0—1,5 м³/с может производиться стационарными водосливами или (при любых зна­чениях расхода) на специально оборудованных лотках, в которых измерение расхода производится способом “площадь—скорость” (см. гл. 17).

Специальными приборами для определения расхода воды при откачках (наливах и нагнетаниях) являются концевые диафрагмы и водосчетчики.

Концевая диафрагма используется для определения расхода при условии равномерной подачи воды по водоводу (сливной трубе). Диафрагма представляет собой наконечник, навинчивающийся на конец сливной трубы, диаметр которого (d, м) значительно меньше внутреннего диаметра водовода (Д м). В связи с умень­шением площади поперечного сечения потока в трубе возникает избыточный напор (И, м), который измеряется с помощью пьезо­метра, установленного по центру сливной трубы на определен­ном расстоянии от диафрагмы. Расход воды (м³/ч) определяется по формуле

Q = ad²jH, (18.2)

где а — коэффициент, зависящий от отношения d/D и расстоя­ния точки измерения напора (Я) от конца диафрагмы (находится по таблицам к прибору).

Водосчетчики (водомеры) являются механическими приборами для измерения расхода воды, которые устанавливаются непосред­ственно в трубопроводе. Основным рабочим элементом прибора является вертикальная крыльчатка или винтовая вертушка, частота вращения которых определяется скоростью потока воды в трубе. Скорость вращения передается на счетный механизм, циферблаты которого градуированы в единицах расхода (м’/ч) и объема (м³) воды. Как правило, прибор имеет два счетчика, один из которых показывает расход на данный момент, другой — суммарный объем (м³) за определенный период времени. Водосчетчики в за­висимости от их калибра устанавливаются в водоводах диаметром от 50 до 500 мм. Нижний и верхний пределы измерения расхода (м³/ч) определяются калибром прибора. Водосчетчики практиче­ски неприменимы в том случае, если вода содержит минеральные частицы (песок, муть и др.), поэтому они применяются главным образом при контроле за расходом эксплуатационных скважин или при наливах и нагнетаниях чистой воды.

Замеры уровня воды в скважинах в естественных условиях и при проведении опытов в зависимости от глубины его залегания и необходимой точности замера производятся с помощью различных приспособлений и приборов. В случае замера уровня в опытной скважине непосредственно в процессе проведения опыта измерение проводится в специальной измерительной трубе, опущенной ниже уровня воды (при откачке эрлифтом — ниже смесителя), для из­бежания искажений, связанных с работой насоса (см. рис. 18.6)

Простейшим приспособлением для замера уровня воды в сква­жине является хлопушка, представляющая собой металлическую гирю массой около 0,5 кг, которая с помощью рулетки опускается в скважину на мерном шнуре (проводе). Благодаря конструкции хлопушка при касании уровня воды издает хлопок или свисток, которые фиксируются на поверхности. Этот способ измерения уровня можно использовать при глубине залегания максимум до 100 м. При определенном навыке точность измерения глубины залегания уровня хлопушкой составляет ±1—5 см. Уточнение за­мера может быть выполнено с использованием тяжелой металли­ческой линейки с делениями через 1 см, которая опускается в скважину на такой же рулетке. Замер производится по следу, ос­тавленному водой на полотне линейки.

В настоящее время при проведении опытных работ для опре­деления положения уровня воды в скважинах наиболее часто ис­пользуются электроуровнемеры различных конструкций. Схема электроуровнемера включает источник питания, регистрирующее устройство (вольтметр, лампочка и др.), наконечник с двумя электродами и двухжильный провод, который наматывается на ба­рабан или рулетку. При касании электродами уровня воды в сква­жине замыкается электрическая цепь, что фиксируется на регист­рирующем устройстве. При измерениях уровня воды в обсаженных скважинах возможно применение электроуровнемера с одножиль­ным проводом (с одним электродом). В этом случае электрическая цепь замыкается через обсадную трубу. Серийно выпускаемые электроуровнемеры обеспечивают замеры уровней воды при их залегании до глубины 200 м. При использовании качественного мерного провода точность измерений составляет ±1—2 см.

Для непрерывных измерений уровня воды в наблюдательных и режимных скважинах используются барабанные уровнемеры (с поплавком, перемещающимся в соответствии с изменением уровня), пневматические уровнемеры, самописцы и регистраторы уровня различных конструкций (Климентов, Кононов, 1989).

При наличии избыточных давлений на устье скважины (фон­танирование скважины) давление (высота столба воды над устьем скважины) измеряется с помощью манометров. Для оценки плас­товых давлений в глубоко залегающих интервалах разреза исполь­зуются глубинные манометры различных типов.

Для измерения температуры воды в скважинах используются ртутные (инерционные) и электрические термометры различных марок. При необходимости измерения температуры одновременно в нескольких интервалах разреза используется система (“коса”) с несколькими электрическими термометрами или термисторами (полупроводниковые измерители сопротивлений), регистрация показаний которых осуществляется на поверхности.

Отбор проб воды на химический анализ производится или не­посредственно при ее изливе из скважины (откачка или самоизлив скважины), или с помощью специальных приборов—пробоотбор­ников. Кроме простейших приспособлений (бутылка с пробкой и фузом, цилиндрическая емкость, которая спускается по тросу и закрывается с двух сторон конусными свинцовыми пробками) ис­пользуются водоносы, пробоотборники и нефтяные пробоотбор­ники более сложных конструкций, обеспечивающие отбор проб воды и газа с глубины до 3000 м и более.

При гидрогеологических опытно-фильтрационных исследованиях исполь­зуются и многие другие приборы и технические средства: испытатели и опробо- ватели водоносных пластов, в том числе комплексно осуществляющие замеры давления, температуры и отбор проб воды, термокондуктивные дебитомеры, грунтоносы для отбора проб горной породы, скважинная телевизионная аппара­тура, перфораторы и др. Конструкция и принцип действия этих технических средств рассмотрены П.П. Климентовым, В.М. Кононовым (1989) и подробнее в Справочных руководствах гидрогеолога (1959, 1979; и др.).