Способ определения средней скорости и расхода потока подземных вод

 

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СРЕДНЕЙ. СКОРОСТИ И РАСХОДА ПОТОКА ПОДЗЕМНЫХ ЮД, включающий бурение скважин, определение в них отметки уровня вод.и опробование коллекторских горизонтов разреза, отличающ и и с я тем, что, с целью повышения точности исследований, в пробах вод измеряют .содержания гелия и трития, по глубинной зависимости содержания гелия в каяодой скважине, определяют отметку раздела между зонами фильтрации и диффузии и вычисляют сечение потока и толщину .пограничного слоя, на токовой линии проходящей через каждую скважину, Определяют мakcи лaльнoe и минимальное сечения потока и расс ояние вдоль линии между их отметками, по глубинной зависимости содержания трития определяют эффективный коэффициент диффузии и определяют сред нюю скорость и расход потока по фор- .g-P34 y(K,.h/g)L мулам h -U MOkc мин V.h, V средняя скорюсть потока; где g расход потока; 1)эсрч эффективный коэффициент диффузии; h сечение потока в скважине; S - толщина пограничного слоя; L расстояние между точкасл ми с максимальньш и минимальным ;Сечениями потока , измеренное вдоль ли ,нии тока; максимальное сечение поЛакс тока на данной токовой линии; минимальное сечение пото мин ка на данной токовой линии; числовой параметр, опреСП деляемый из условия ми00 нимизации расхождения о мезкду фактически наблюдаемой глубинной кривой 4:; распределения гелия и со теоретической зависимостью

ае (и) СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТ ИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК

3(5р 0 01 7 9/00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

flO ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3325213/18-25 (22) 07. 0 8. 81 (46) 07. 11. 83. Бюл. 9 4.1 (72) В. В. Иванов, В. В. Романов, В.И. Медовый, Е.Л. Довченко и В. И. Добровольская (71) Всесоюзный научно- исследовательский институт ядерной геофизики и геохимии (53) 550.84(088.8) (56) 1. Якубовский Ю.В. Электроразведка. М., "Недра", 1980, с. 18 °

2. Инструкция по определению коэффициентов фильтрации водоноснйх пород методом опытных откачек из скважин. М., Госэнергоиздат, 1955, с. 63 (прототип). (54)(57) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СРЕДНЕЙ

СКОРОСТИ И РАСХОДА ПОТОКА ПОДЗЕМНЫХ ВОД, включающий бурение скважин, определение в них отметки уровня вод и опробование коллекторских горизонтов разреза, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью повышения точности исследований, в про бах вод измеряют .содержания гелия и трития, по глубинной зависимости . содержания гелия в каждой скважине определяют отметку раздела между зонами фильтрации и диффузии и вычисляют сечение потока и толщину .пограничного. слоя, на токовой линии проходящей через каждую скважину, определяют максимальное и минималь ное сечения потока и расстояние вдоль линии между их отметками, .по глубинной зависимости содержания трития определяют эффективный коэффициент диффузии и определяют сред-. нюю скорость и расход потока по фор--(4..„ь! а .ь

У

"макс ммн

g=v ь, где М вЂ” средняя скорость потока, g — расход потока, Эз,„- эффективный коэфФициент диффузии; и — сечение потока в скважине;

5 — толщина пограничного слоя;

Ь вЂ” расстояние между точками с максимальным и минимальным,сечениями потока, измеренное вдоль ли,ВНН ток а, И ма„с — максимальное сечение по- р тока на данной токовой линии;

"м н — минимальное сечение потока на данной токовой линии, числовой параметр, определяемый из условия минимизации расхождения между фактически наблюдаемой глубинной кривой распределения гелия и теоретической зависимость

1053049

Изобретение относится к гидрогеологическим исследованиям и, в частности, .может быть использовано при выборе участков захоронения вред- ных провыаленных отходов.

Известен способ определения направления и скорости подземных водных потоков, состоящий в введении в вскрытый скважиной коллекторский горизонт сильного электролита (обычно поваренной моли) .и одного из электродов установки постоянного тока. После этого по смещению во времени эквипотенциальных линий наведенного электрического поля судят о направлении и скорости потока (1) .

Однако такой способ применим только при низкой минералиэации вод, для оценки относительно больших скоростей .И обладает невысокой точностью при наличии геологических неоднородностей .среды..

Наиболее близким к .изобретению по технической сущности является способ определения направления, скорости и расхода потоков подземных вод при помоши опытных откачек из скважин, согласно которому-в скважинах определяют отметку зеркала вод и положение коллекторов, опускают в соответствующие интервалы фильтр З0 и насос и выполняют опытные откачки, в ходе которых измеряют дебит скважин, мошность коллектора, понижение воды в скважине, оценивают радиус ее влияния. Полученные оцен- 35 ки подставляют в соответствующие формулы для расчетов коэффициента фильтрации с учетом ее режима (напорная, беснапорная), соотношения между длиной фильтра и мощностью кол- 40 лектора, положения скважины относи тельно водоема с открытой поверхностью воды. После этого, если известны отметки напорной или депрессионной поверхностей, возможно расчетное определение направления и скорости фильтрации в данном коллекторе (2) .

Однахо .известный способ очень чувствителен к локальным неоднородностям коллекторского пласта, которые, наряду .с приближенным характером зависимостей и неточностями оценок, обуславливают весьма. приближенный ориентировочный характер этих определений.

Целью изобретения является повышение точности исследований.

Поставленная цель достигается согласно способу определений сред1 ней скорости и расхода потока под- 60 земных вод, включающему бурение скважин, определение в них отметки уровня вод и опробование коллекторских горизонтов разреза, в пробах вод измеряют содержания гелия и 65 трития, по глубинной кривой содержаний гелия в каждой скважине определяют отметку раздела между зонами фильтрации и диффузии и вычисляют .сечение потока и толщину пограничI ного слоя, по токовой линии, проходящей через каждую скважину, определяют максимальное и минимальное сечения потока и расстояние вдоль линии между их отметками, по глу бинной зависимости содержания. трития определяют эффективный коэффициент диффузии и определяют среднюю скорость и расход потока по форму 1 9фя> мн @

"макс -"мин б " "

Ф

t где V — средняя скорвст ь потока, g — расход потока, D9 — эффективный коэффициент .диффузии, сечение потока в скважине, толщина пограничного слоя, Ь вЂ” расстояние между точками с максимальным и минимальным сечениями потока, измеренное вдоль линии тока, "макс " максимальное сечение потока на данной токовой линии щ ц — минимальное сечение потока .на данной токовой линии; числовой параметр, определяемый из условия минимизации расхождения между фак-тически наблюдаемой глубин ной кривой распределения

/ гелия и теоретической зависимостью

На фиг. 1 графически изображено распределение содержания гелия, на фиг. 2 — распределение содержания трития.

Способ базируется на следующих теоретических предпосылках.

Вследствие гетеропористости среды и неньютонового характера водных растворов в поровом пространстве существует поверхность, вдоль которой действующий градиент напора недостаточен для приведения жидкости в движение. Эта поверхность разделяет фильтрационную и диффузионную области. Первая из них в силу активного обновления представляет зону распространения атмосферного влияния в подземных водах и на большую часть своей мощности характеризуется фоновыми содержаниями гелия и трития, близкими и равновесными с воздухом.

Вторая эона — специфическая, складывающаяся в процессе преобразования захороненного в осадках вещес/гва в условиях молекулярного обмена.

В частности, в этой зоне вследствие альфа. -распада распределенных в сре1053049 ( де изотопов семейств урана и тория развиваются поля концентраций гелия, Вследствие интенсивной диссипации . гелия из атмосферы область фильтра,ции представляет зону стока гелия, причем максимальный градиент глубинной зависимости приурочен к поверхности раздела,иежду зонами.

Линейный размер области максимальной вертикальной изменчивости распределения концентраций гелия (диф- 10 фузионного пограничного слоя) в зоне фильтрации тем меньше, чем выше скорость фильтрации, и тем больше, чем выше уровень Флюктуационного .рассеяния, связанного с дисперсией )5 потока и молекулярной диффузией в поровом растворе. Масштабы этого рассеяния могут быть оценены по глуМ бинным зависимостям содержаний три» . тия в водах. Этот изотоп образуется 0

s верхних слоях атмосферы в ядернЫх реакциях взаимодействия космических .лучей с атомами элементов, входящих в ее состав, и йерераспределяется в соответствии с масштабами обме. на, свойственными атмосфере и облас» ти фильтрации подземной гидросферы.

Вблизи раздела между зонами вследствие ограничения масштабов обмена имеет место резкое уменьшей е концентраций трития в водах, масштаб . З0 которого определяется соотношением. между постоянной его распада и уровнем флюктуационного рассеяния.

Таким образом; по вертикальному распределению содержаний гелия в каж. 35 дой скважине могут быть определены: отметка раздела между зонами филь- . трации и диффузии (по первому сверху перегибу кривой, который отмечается максимумом первой. производной 40 глубинной зависимости гелия); се-, чение h потока {по разности между отметками уровня вод и раздела), верхняя граница пограничного слояобласти максимальной изменчивости в зоне. фильтрации (по пересечению удвоенного фонового содержания гелия с глубинной криэой ); толщина погра-. ничного слоя 8 (по разности отметок его верхней границы и раздела между зонами фильтрации и диффузии). 50

По глубинной кривой содержаний трития может быть определен эффективный коэффициент диффузии Рэ характеризующий масштаб Флюктуационного рассеяния. Он оценивается по отношению постоянной распада трития к квадрату первой производ- . ной.кривой его содержаний у отметки раздела между зонами Фильтрации и диффузии. Эти данные -позволяют оценить величины, пропорциональные средней скорости и расходу фильтрации в данной скважине.

Коэффициент пропорциональности .может быть найден следующим образоМ. 65

По данным об отметках уровней строят изолинии депрессионной поверхности и ортогональные по отношению к ним линии тома, проходящие через исследуемые скважины и соединяющие точки максимального (на водоразделе) и минимального (на открытой поверхности воды ) сечений потока Ижд н и д соответственно . Оценивают расстояние

Ь между этими точками вдоль соответствующей токовой линии. Величина

"" Фмаке 4 Мин)и ecrrs sискомый коэффициент йропорциональности, позволяющий рассчитать абсолютные оценки скорости и расхода потока вдоль соответствующей линии тока.

Способ осуществляют следующим образом.

На исследуемой территории проводят системы профилей скважин примерно вкрест простирания осевой линии водораздела. В каждой скважине опре-

,деляют отметку зеркала вод и поло,жение коллекторских горизонтов разреза. В пробах воды иэ этих горизонтов известными способами определяют содержания гелия и трития. Полученные значения содержаний гелия и трития наносят на разрез у отметки отбора проб.,Последовательности аппроксимируют (или интерполируют) ,гладкими кривыми.

Распределение содержанйй гелия ,показано на фиг. 1 в виде последовательности значений, зарегистрированных в.пробах воды из соответствую щих горизонтов, и представляет возрастающую с глубиной зависимость, содержащую прилегающий к поверхности участок замедленного нарастания (слабой зависимости от глубины), последующую область очень быстрого увеличения значений и область дальнейшего выполаживания кривой. На фиг. 1 построены аппроксимирующая . кривая. 1 (сплошная линия) и наиболее близкая (по минимуму суммы квадратов расхождения) теоретическая зависимость 3 (пунктирная линия).

Распределение содержаний трития (фиг. 2) включает прилегающий к поверхности зеркала участок относитель. но слабого уменьшения значений, переходящий в область быстрого убывания с глубиной до величин, лежащих за порогом чувствительности.

По. аппроксимирующей (интерполяционной) кривой содержаний гелия строят первую производную этой зависимости 2 {штрих-пунктирная линия), Отметка, к которой приурочен максимум первой производной, определяет положение нижней границы эоны фильтрации, а соответственно, интервал между отметками зеркала вод и найденной есть мощность эоны фильтрации и .в вскрытом скважиной разрезе отло-! жений.

1053049 эфир = >/ч

1,8 ° 10 9(с- ) - постоянная рас" пада трития.

Затем вычисляют величины 40. где

Д sqql миф ig2=<+srpyll(ke„J) На плане расположения скважин по отметкам зеркала вод строят схему 45

Определяют толщину пограничного слоя в вертикальном распределении содержаний гелия. Для этого оценивают среднее значение. Са, характеризующее участок прилегающего к по верхности зеркала замедленного нарастания кривой. Затем находят отметку, которой соответствует пересечение удвоенного значения найденно

ro среднего с аппроксимирующей кривой глубинного распределения со- 10 держаний. Измеряют интервал между отметкой нижней границы эоны фильтрации и найденной отметкой и таким образом определяют значение .толщины пограничного слоя О . С помощью г5 интерационных процедур численными методами находят параметрМ„,.

Вычисляют величины

@ г= ".Я - . 20

Первая из них пропорцйональна средней скорости течения, вторая — рас.ходу.

Затем по аппроксимирующей (нли интерполяционной} кривой последова- . тельности содержаний трития у нижней границы области фильтрации b определяют угловой коэффициент — первую производную этой зависимости (фиг. 2) . По найденному значению yr- 30 лового коэффициента вычисляют коэффициент эффективной диффузии в пограничном слое по формуле изопьез. Затем на этот же план выносят соответствующие оценки g< и строят схему изолиний "этого параметра ортогонально семейству изопьез.

Находят точку пересечения каждой изолинии с контуром ближайшего открытого водоема и ближайшей макси-. мальной отметкой зеркала на водоразделе и определяют длину этой линии (Ц между названными точками, а также максимальное (на водоразделе) и минимальное .(у водоема) сечения потока

"wag и 1мэн, . Вычисляют разность макс ° д „г квадратов этих сечений пмакс — ймнк

Касательная к рассматриваемой изолинии в каждой ее точке, направленная в сторону водоема, определяет направление течения.

90эрр(" ЧЙ ь

Значение Ч—

"Макс, "Мин определяет среднюю скорость фильтрации вдоль изолинии. Семейства изопьез и линий равных расходов представляют сетку фильтрации.

Величина =ЧЬ характеризует расход потока вдоль соответствующего направления.

Предлагаегаай способ позволяет по сетке интегрированием расходов вдоль всех изолиний определить суммарный расход данной части, бассейна в зоне фильтрации и положения участков минимального и максимального расходов, по мощностям зоны фильтрации оценить. стационарные запасы возобновляемых вод на территории исследований, а по отношению стационарных запасов к суммарному расходу оценить средний период обновления резервуара.

Изобретение позволяет определить допустимый уровень использования подземного резервуара, обоснованно проектировать системы водозаборов, определять области сброса промышленных и бытовых отходов и предусматривать природоохранные мероприятия.

1053049 . А

Фиг. t

У фиа Е

Составитель Э. Волконский

Редактор Н. Джуган Техред M.Tenep Корректор,А. Повх

Заказ 8866/44 Тирам 710 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва,. Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", г.. Ужгород, ул. Проектиая, 4