Способ определения гидродинамических параметров водоносного пласта

 

СПОСОБ ОПРЕдаЛЕНИЯ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ВОДОНОСНОГО ПЛАСТА, включающий откачку воды из скважины данного пласта, регистрацию восстановления уровня воды в скважине во времени и определение величин коэффициентов фильтрации и пьезопроводности пласта по данньм регистрации , о.тличающийся тем, что, с целью повышения точности определения гидродинамических параметров , регистрацию восстановления уровня воды осуществляют при разных значениях площади проходного сечения скважины для жидкости интервала изменения ее уровня и определяют время восстановления уровней жидкости для нулевой площади проходного сече« VH ния. 265 I NU СХ) СО ф VI Фаг.7

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН (19) (11) 4(5ц E 21 В 47/10

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТБУ

ГОСУДАРСТЕЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И OTHPblTMA (21) 3622883/22-03 (22) 11.07.83 (46) 07.04.85. Бюл. № 13 (72) В.В.Данилов (71) Московский ордена Трудового

Красного Знамени геологоразведочный институт им..С.Орджоникидзе (53) 553.98(088.8) (56) 1. Справочное руководство гидрогеолога. Под ред. проф. Максимова В.М. Л., "Недра", т. 2, 1979, с. 21.

2. Бочевер Ф.M. и др. Основы гидрогеологических расчетов. N., "Недра", 1969, с. 279. (54)(57) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ГИДРОДУ НАМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ВОДОНОСНОГО

ПЛАСТА, включающий откачку воды из скважины данного пласта, регистрацию восстановления уровня воды в скважине во времени и определение величин коэффициентов фильтрации и пъеэопроводности пласта по данным регистрации, отличающийся тем, что, с целью повышения точности определения гидродинамических параметров, регистрацию восстановления уровня воды осуществляют при разных значениях площади проходного сечения скважины для жидкости интервала изменения ее уровня и определяют время восстановления уровней жидкости для нулевой площади проходного сече( ния.

1 1148

Изобретение относится к геологоразведочным работам на подземные воды {пресные, промышленные, минеральные, термальные), а также может бьггь использовано при обосновании систем заводнения нефтяных и газовых месторождений, в гидротехническом строительстве, осушении месторождений твердых полезных ископаемых, мелиорации сельскохозяйственных угодий. 10

Известен способ определения коэффициентов фильтрации и пьезопроводности, именуемый "кустовой опытной откачкой", включающий бурение на участке распространения исследуемого 15 водоносного пласта нескольких (обычно 4-5, но не менее 2-х) скважин.

Одна из скважин, называемая "централь. ной" или "возмущающей", оборудуется специальным скважинным насосом. Все 20 остальные скважины служат для наблюдений и регистрации уровней воды с помощью стандартных уровнемеров и поэтому именуются "наблюдательными".

Откачка воды из "центральной" скважи- д ны вызывает приток к ней пластовых вод, сопровождающийся снижением их напора, которое можно наблюдать и измерять в наблюдательных скважинах.

Регистрируя величину понижения уровней воды, обработкой специальными методами, разработанными на основе уравнений, описывающих процесс водопритока к скважине, получают искомые значения коэффициентов фильтрации и пьезопроводности (1) .

Недостатком данного способа является высокая стоимость опытных работ, связанная с необходимостью бурения нескольких скважин.

Известен также способ определения коэффициента фильтрации и пьезопроводности (уровнепроводности), основанный на использовании только одной скважины, которая одновременно явля- 45 ется и "возмущающей" и "наблюдательной", именуемый "способом прослеживания восстановления уровня", включающий предварительную откачку воды из скважины, остановку откачки и следующее за этим естественное восстановление уровня до исходного положения и регистрацию уровней восста новления через заданные промежутки времени (23

Недостатком известного способа

; является то, что уровень воды в скважине в процессе его восстановле997 ния не совпадает с истинным положением уровня воды в водоносном пласте.

Неточность регистрации уровня в водоносном пласте приводит к погреш— ности в оценке коэффициентов фильтрации и пьезопроводности. Расхождение между уровнем воды в скважине и пласте зависит от скорости восстановления и поэтому погрешность может быть весьма значительной.

Указанный недостаток вынуждает обращаться к способу "кустовых опытных откачек", дающему достаточно достоверные значения определяемых коэффициентов, но требующем для своего осуществления значительных затрат в связи с тем, что является многоскважинным способом.

Целью изобретения является повышение точности определения гидродинамических параметров.

Иоставленная цель достигается тем, что согласно способу определения гидродинамических параметров водокосного пласта, включающему откачку воды из скважины данного пласта, регистрацию восстановления уровня воды в скважине во времени и определение величин коэффициентов фильтрации и пьезопроводности пласта по данным регистрации, регистрацию восстановления уровня воды осуществляют при разных значениях площади проходного сечения скважины для жидкости интервала изменения ее уровня и определяют время восстановления уровней жидкости для нулевой площади проходного сечения.

На фиг, 1 показана схема проведения опыта по восстановлению уровня по .первому варианту; на фиг. 2 — то же, по второму варианту, на фиг. 3 схема опытной скважины, расположенной в однородном по фильтрационным свойствам водоносном пласте, пересекаемом рекой, на фиг. 4 — график зависимости времени восстановления уровня от величины проходного сечения рабочего интервала скважины

Т = f(S), начальная ордината которого выражает истинное время восстановления; на фиг. 5 — вспомогательный график зависимости уровня восстановления от времени, предназначенный для оценки "расчетного" времени восстановления уровня, входящему в спо— соб, осуществляемый IIo второму варианту.

1148997

В пределах ствола скважины (фиг. 1 и 2) происходит подъем (восстановление) уровня воды 1 (рабочий, опытный интервал скважины). В металлическую или пластмассовую трубку 2 опускается датчик уровнемера, с помощью которого регистрируются изменения уровня воды s скважине, конец трубки заглубляется ниже смесителя эрлифта. Вертикальные стрелки 3 указывают направление движения воды, поступающей в скважину из пласта через ее водоприемную часть. На фиг. 1 и 2 обозначены: 4 — окружающие горные породы, 5 — обсадная труба скважины, 6 — воздушная труба эрлифтной установки, 7 — вкладыш круглого сечения (металлическая болванка или труба с наглухо заделанными концами) радиуса г1., опускаемый на тросе в опытный интервал при проведении опыта по первому варианту. В комплект оборудования для проведения работ по первому варианту предлагаемого способа входят два вкладыша с радиусами ry и r» позволяющих полу1 02 чить два разных значения площади проходного сечения опытного интервала, третье значение проходного сечения (максимальное) соответствует отсутствию вкладьппа rg = О.

Площадь проходного сечения ствола скважины равна

$«c = . «r пг S„()

2 2 2 где r — радиус ствола скважины о 35 (обсадной трубы) в пределах рабочего интервала, — радиус вкладыша — площадь поперечного сече— ния воздушной трубы зрлифт40 ной установки 6.

Вкладыши собираются из отдельных звеньев, свинчивающихся между собой, длиной 5-10 м, что позволяет собирать вкладьппи любой длины, отвечаю- 45 щих кокретным условиям проведения !

:работ по определению коэффициентов фильтрации и пьезопроводности. Вкладыш 8 переменного (двухступенчатого) сечения, также собираемый из отдельных, свинчивающихся между собой звеньев (фиг. 2) предназначен для осуществления предлагаемого способа по второму варианту.

Способ определения коэффициентов у фильтрации и пьезопроводности (уровнепроводности). заключается в следующем. вариант, Из скважины, оборудованной водоподъемной установкой (главным элементом которой является воздушная труба 6), производится откачка воды с некоторьи постоянным дебитом, величина которого, а также продолжительность откачки подбираются таким образом, чтобы снижение уровня составляло примерно 20-30 м. Такой подбор осуществляется либо ориентировочньм расчетом, либо исходя из имеющегося опыта работ в сходных усло-. виях. В ходе откачки осуществляют наблюдения за дебитом и понижением уровня, для чего используют уровнемер непрерывного (самопишущий) либо дискретного действия. Датчик уровнемера находится в измерительной трубке 2, исключающей возмущения, свя— занные с работой эрлифта.

По достижении проектной отметки уровня откачку прекращают, в результате чего уровень воды 1 начинает повьппаться (восстанавливаться), и при этом ведут непрерывную регистрацию уровней восстановления с помощью уровнемера. Измерения прекращают по достижении уровнем своего исходного положения. Используя данные замеров уровня определяют длину и положение опытного интервала (представляющего собой расстояние между исходным положением уровня воды в скважины до наЧала откачки и его минимальным значением, достигнутым в момент ее окончания). Описанные операции (откачка воды, восстановление уровня и его регистрация} составляют I цикл. Завершив I цикл, приступают к выполнению II цикла, который заключается в том, что в рабочий интервал скважины устанавливают (путем подвешивания на тросе} вкладьпп 7 соответствующего размера, способного разместиться в просвете ствола скважины, частично занятого воздушной (и в зависимости от конструкции водоподъемной установки— водоподъемной) трубой эрлифта. Необходимая длина вкладыша обеспечивается выбором соответствующего количества звеньев, входящих в комплект оборудования для проведения работ по первому варианту способа. ,После установки вкладыша приступают к повторной откачке, следя эа тем, чтобы ее дебит соответствовал деби1148997 ту откачки, установленному в процессе I цикла. Все последующие опе-.;, рации (остановка откачки по достижении минимального уровня, регистрация уровней с помощью уровнемера) 5 полностью идентичны тем, которые осуществлялись в процессе I цикла.

По завершении II цикла приступают к III циклу: вкладьпп радиуса rb< заме. няют на вкладыш следующего размера rb< таким образом, чтб его длина и положение в скважине соответствуют длине и положению вкладыша, использовавшегося на предыдущем этапе. Все последующие операции: предваритель- 15 ная откачка, ее остановка, регистрация уровней полностью идентичны тем, которые осуществлялись в ходе I u

II циклов.

По окончании III цикла приступают

20 к построению графика зависимости . времени восстановления уровня (от минимального значения, достигнутого при окончании откачки, до исходного)

25 от величины площади проходного сечения рабочего интервала (фиг. 4) (S пс, S „, 3 и — значения площадей. проходных сечений рабочего интервала в I, II u III циклах опытных работ соответственно, t<, t>, t — продол- ® жительность полного времени восстановления за I, II u III циклы). Построив указанный график, определяют

его начальную ординату, значение которой соответствует истинному време- 3S ни восстановления уровня, не завися- . щему от площади проходного сечения скважины (S qt = О) и, следовательно, от ее "инерционности". Дальнейшие расчеты коэффициентов фильтрации и <0 водопроводимости (уровнепроводности} выполняются по стандартной методике (21, при этом в качестве времени исполь уют его истинное значение, найденное описанным выше способом.

Использование в расчетах истинного времени приводит к тому, что результирующие значения искомых коэффициентов также будут истинными.

II вариант. 50

II вариант реализации способа заключается в том, что в рабочий интервал опытной скважины устанавливают двухступенчатую вставку 8 (путем подвешивания на тросе). Учитывая, 55 что максимальные значения скорости восстановления уровня воды отвечают его началу (т.е. непосредственно за остановкой скважины), вкладыш следует устанавливать такркак показано на фиг. 2, т.е. меньшим размером радиуса вниз. Это приводит к увеличению проходного сечения нижней части рабочего интервала и, следовательно, к замедлению скорости восстановления, что удобно с точки зрения производства замеров уровней. Общая длина вставки составляет 2/3 длины рабочего интервала, верх вставки совпадает с положением исходного уровня, таким образом, нижняя треть рабочего интервала вкладыша не содержит и, следовательно, имеет максимальное проходное сечение. Мини-. мальное проходное сечение отвечает верхней трети рабочего интервала, так как размер вкладыша здесь максимальный. Далее работы ведут в обычном порядке: сначала производят откачку воды до достижения минимального уровня, затем откачку прекращают, после чего происходит естественное восстановление уровня. Ход изменений уровня регистрируется посредством уровнемера. После того, как уровень воды достигнет своего исходного положения, замеры прекращают и строят график зависимости значений повышения уровня от времени (фиг. 5). Для удобства интерпретации и обработки графика рассмотрим числовой пример. Общая длина рабочего интервала (расстояния от минимального положения уровня, достигнутого в ходе откачки до его исходного положения) равна 22 м . Границы ступеней находятся на отметках.

h = 220rs Ь1 = 150 м, h =

= 7,0 м, h> = 0,0 м (верх рабочего интервала принят за начало отсчета).

Основываясь на свойствах уравнения, описывающего процесс восстановления уровня воды в скважине на вертикальной оси выделяют расчетные интервалы, границы которых соответственно обоз" начаются: hо, h, Ф h2, h Ú ° Первый (нижний) расчетный интервал соответствует нижней ступени рабочего интервала, откуда следует, что Ь

= ho = 22.0 му h! = h1 = 15,0 м.

Находят коэффициент М= — — = -- - =

ho 22 О

h 15,0

1,47.

Нижняя граница второго (среднего) расчетного интервала совпадает с нижней границей средней ступени

1148997

Т= „Сп — Вп

h = h1 = 15,0 м, верхняя граница

1 находится из соотношения h

h, 150

2 — 10,22 м.

0 1,47

Нижняя граница третьего (верхнего) расчетного интервала совпадает с нижней границей третьей ступени (верхний): h = 7,0 м. Верхняя граница третьей расчетной ступени наI ходится из соотношения h

hg 70 — 4,77 м.

1,47

Установив границы расчетных интервалов, с горизонтальной оси снимают значения времени восстановления s пределах каждого из трех рас четных m.тервалов t = 126 с, й2

= 284 с и tq = 506 с. Найденные таким образом значения t<, й2и t g используются для построения графика зависимости времени восстановления от площади проходного сечения (фиг.4) по которому определяют время истинного восстановления уровня, численное значение которого равно начальной ординате этого графика. Дальнейшие расчеты коэффициентов фильтрации и водопроводимости (уровнепроводности) выполняются по стандартной мето30 дике, при этом в качестве времени используют его истинное значение, найденное описанным выше способом.

Использование в расчетах истинного времени приводит к тому, что результирующее значение искомых параметров: 5 коэффициента фильтрации и коэффициента пьезопроводности (уровнепроводности) также будут истинными.

Теоретические предпосылки предла- 40 гаемого способа заключаются в следующем. Пусть имеется буровая скважина,. расположенная в напорном водоносном плате, пересекаемом рекой. Насыщающая пластовая вода — несжимаемая. Ес. 45 ли в скважине понизить уровень воды путем откачки на некоторую величину h, а затем откачку прекратить, то в результате перетекания жидкости из реки в пласт, а из пласта в сква- 50 жину, уровень воды начнет восстанав.ливаться (подниматься). Очевидно, что относительная скорость восстановления уровня составляет и — — = Я+, (1)

dt Q(И2 где Q — расход жидкости, поступающий из пласта в скважину, G3 — площадь поперечного сечения

1 ствола скважины, равная и r (r — радиус скважиz ны), Qg- площадь поперечного сечения реки, очевидно, что Ю =оо, h — понижение уровня воды в скважине относительно его первоначального положения.

Откачка из скважины, расположенной вблизи реки, описывается следующим уравнением

Дя

Q=—

1 2 п

1 где m — мощность (толщина) водоносного пласта, — параметр, характеризующий степень несовершенства скважины

- f — расстояние от скважины до реки, k — коэффициент фильтрации.

Подставляя выражение (2) в (1) и интегрируя полученный результат от

t0 до t (to — начало восстановления уровня), получаем полное время восстановления уровня от его начального (перед восстановлением) положения Ь до hq

При радиусе скважины О, 1 м, расстоянии ее от реки 100 м и km = — 100 м /сут, время подъема уровня от глубины в 1 м составляет 74 с.

При радиусе скважины 0,2 м время восстановления составляет 274. с. Если предположить, что радиус скважины равен О, то из уравнения (3) следует, что восстановление уровня происходит мгновенно. Данный пример показывает зависимость скорости . подъема уровня (восстановления) от площади поперечного сечения скважины, в рассматриваемых условиях истинное время восстановления равно

О, так как вода принята неожидаемой.

Таким образом, используя для оценки гидрогеологиче ских параметров .(коэффицинтов фильтрации и пьезопроводности) способ, именуемый " способом прослеживания восстановления уровня" (2), получим погрешность, по9 1 скольку учет инерционности скважийй этим способом не предусматривается.

Анализ уравнения (3) позволяет предложить способ оценки истинного времени восстановления уровня, а следовательно, нахождения истинных значений коэффициентов фильтрации и пьезопроводности.

Предлагаемый способ может быть осуществлен в двух вариантах;

I вариант. Из уравнения (3) сле.— дует, что если опыт по восстановлению уровня провести три (или более) раза при разных значениях площади поперечного сечения скважины, то будут получены три значения времени восстановления уровня. Полученные результаты позволяют построить график зависимости (фиг. 4), начальная ордината которого выражает истинное время восстановления.

Помимо того, что истинное время используется для расчета истинных значений коэффициентов фильтрации и пьезопроводности, величина этого времени является характеристикой упругого состояния пласта: если, например, это время равно О, то это свидетельствует о том, что водоносный пласт характеризуется жестким режимом (жидкость, насыщающая пласт — несжимаемая).

II вариант предусматривает однократное восстановление уровня, но с применением вкладыша, имеющего сту пенчатое строение.

Предположим, что ствол скважины имеет постоянное сечение, тогда весь интервал восстановления уровня от минимального значения до исходного можно разбить на такие подинтер валы, для которых время восстановления будет одинаковым ь. ь< ь — (4)

h1 h, hn

Если рабочий интервал скважины (в котором производится восстановле148997 1О ние уровня, простирающийся от ho до

hz имеет ступенчатую структуру, то время восстановления в интервалах, выделяемых по правилу, выражаемому уравнением 4 будет различным, так как оно зависит от размеров проходных сечений этих ступеней, отсюда следует, что время восстановления уровня воды в пределах интервалов, 10 выделяемых по правилу уравнения (4) (расчетных интервалов) может служить для оценки зависимости времени восстановления от площади проходного сечения (фиг. 4), по которой определяют истинное время восстановления.

Нижние границы всех расчетных интервалов совпадают с нижними границами ступеней, характеризующихся соот— ветствующими значениями проходных сечений. Верхняя граница нижнего расчетного интервала также совпадает с верхней границей нижней ступени.

Верхние границы остальных расчетных интервалов определяются расчетом по д соотношению, вытекающему из уравнения

1 rl 1

h =h — =) и 4 где h |, — нижняя граница расчетноного интервала (совпа30 дающая с фактическим положением границы соответствующей ступени).

h „— верхняя граница.

Коэффициент Ж находится по зна3g чениям границ нижнего расчетного интевала, совпадающих с границами нижней ступени.

Технико-экономический эффект предлагаемого способа заключается в том, 40 что он обеспечивает высокую точность определяемых гидрогеологических параметров (коэффициентов фильтрации и пьезопроводности) при большой экономии времени и средств, так как яв45 ляясь односкважинным методом, избавляет от необходимости сооружать специальные наблюдательные скважины.

1148997

1148997 (сек (Риг. 4

1148997

Ягк Ю

yttttttlttt Заказ 1842/22 . ТиРаж 540 Нойонское арддад здд2 42 4ааа ° г.ужрород, .уи.проектиаа, 4