Особливості обробки та інтерпретації результатів дослідних робіт в умовах шаруватих водоносних горизонтів

1.

ОСОБЛИВОСТІ
ОБРОБКИ ТА ІНТЕРПРЕТАЦІЇ
РЕЗУЛЬТАТІВ ДОСЛІДНИХ
РОБІТ
В УМОВАХ ШАРУВАТИХ
ВОДОНОСНИХ ГОРИЗОНТІВ

2. Основні типи шаруватих гідрогеологічних розрізів

1) шаруваті товщі без розділяючи прошарків;
2) шаруваті товщі із глинистими поділяючими прошарками
значної потужності;
3) шаруваті товщі, представлені чергуванням відносно
малопотужних проникних або слабо проникних прошарків.
У шаруватих товщах на формування закономірностей режиму
підземних вод при дослідних відкачках можуть впливати
процеси перетікання підземних вод через слабо проникні
відклади.
У процесі експлуатації кількість води, що надходить із суміжних з
використовуваним водоносних горизонтів, у ряді випадків може
становити істотну частку в експлуатаційних запасах.

3. Додаткові параметри

• Для врахування процесу перетікання як для двошарової, так і
для багатошарових товщ, є відповідні аналітичні рішення.
• Для їх використання крім основних параметрів водоносних
горизонтів, необхідні додаткові:
− гравітаційна водовіддача ( 0) верхнього водоносного горизонту
у двошаровій товщі;
− коефіцієнт перетікання (В) у багатошаровій.

4. Коефіцієнт перетікання

• Коефіцієнт перетікання є комплексним параметром,
що залежить від водопровідності основного
водоносного горизонту й коефіцієнта фільтрації та
потужності поділяючих слабо проникних шарів. Цей
коефіцієнт пов'язаний з перерахованими
параметрами наступною залежністю:
де К`0 і К``0 − коефіцієнти фільтрації відповідно
перекриваючого і підстилаючого слабо проникних
шарів; m`0 і m``0 − потужності шарів.

5. Взаємодія шарів у шаруватих товщах

• Відомо, що в умовах двошарової товщі вплив перетікання з
верхнього горизонту позначається практично із самого початку
відкачки.
• У той же час процеси перетікання в багатошаровій товщі через
слабо проникні прошарки звичайно за період дослідних робіт
проявляються в досить обмежених випадках.
При цьому для вивчення процесів взаємодії горизонтів потрібне
проведення спеціальних дослідних робіт тривалістю до 30 − 40
діб, а іноді й більше.

6. Складність одержання параметрів перетікання

• Об’єктивна складність одержання параметрів перетікання
змушує дуже часто зневажати ними при підрахунку
експлуатаційних запасів і розглядати шар як ізольований,
• У цьому випадку використовуються лише основні параметри
досліджуваного шару, які можна визначати методом Джейкоба.
• При обробці дослідних даних у шаруватих товщах методом
Джейкоба для ізольованих шарів виникає зворотна задача −
діагностування початкових ділянок дослідних закономірностей,
що містять обмежену інформацію із нехтуванням незначного
впливу перетікання.
• Імовірність випадків, коли ефект перетікання проявляється
повною мірою або недостатньо, у цей час практично не
прогнозована.

7. Застосування методу Тейса − Джейкоба

Вказані типи гідрогеологічного розрізу обумовлюють деякі
специфічні особливості дослідних закономірностей зміни рівня.
Однак загальним для них є наявність одного або двох діапазонів
часу, коли закономірності зміни рівня описуються рівнянням
Тейса − Джейкоба:
– перший діапазон відноситься до початку досліду;
– другий до більше пізнього періоду часу.
Ця обставина створює принципову можливість застосування
методу Джейкоба для обробки дослідних даних і в цих умовах.
Крім типу гідрогеологічного розрізу, істотне значення має
характер досліду.
В практиці дослідно-фільтраційних випробувань виділяють
наступні види вивчення шаруватих товщ:
1)Роздільне випробування водоносних шарів;
2)Сумарне випробування складних шаруватих товщ

8. Випробування двошарових товщ

• Найбільш типовим випадком будови двошарової товщі є умови,
у яких досліджуваний горизонт, що характеризується високою
проникністю й невеликою водовіддачею, перекривається менш
проникним водоносним горизонтом, але з більше високою
водовіддачею (K0’< K0’’), (μ0,>μ). Обидва горизонти звичайно
мають загальний рівень (вільний − у верхньому й напірний − у
нижньому горизонті).
μ0,K0’,m0’
μ*,K0’’,m0’’
• Характер формування дослідної закономірності зміни рівня
аналогічний закономірності для безнапірного водоносного
горизонту. Аналогічна ефекту Болтона залежність пояснюється
дією вертикальної складової потоку.

9. Випробування двошарових товщ

Таким чином, крива зміни рівня в часі складається із трьох
ділянок:
а) перша ділянка описується рівнянням Тейса з параметрами
досліджуваного шару;
б) друга ділянка − це період несправжнього стаціонарного
режиму, що описується рівнянням для перетікання при
постійному напорі у сусідньому шарі;
в) третя ділянка описується рівнянням Тейса − Джейкоба з
коефіцієнтом водопровідності досліджуваного шару та
водовіддачею верхнього шару. Таким чином, найбільш
представницькою є третя ділянка.

10. Випробування двошарових товщ

Якщо дослідна закономірність містить третю ділянку, то обробка
дослідних даних виконується як для напірного шару способами
часового, площинного або комбінованого простеження.
• де 0 − гравітаційна водовіддача верхнього шару, K0 та К1−
коефіцієнти фільтрації верхнього й нижнього шарів. Прогнозний
розрахунок з використанням цих параметрів буде відбивати
можливості родовища найбільш повно. Представницька кінцева
ділянка дослідної закономірності виникає через відрізок часи від
початку збурювання, обумовлена нерівністю:
де K0 − коефіцієнт фільтрації; 0 − водовіддача; hср − середня
потужність верхнього шару.

11. Випробування двошарових товщ (приклад)

• Прикладом родовищ, що відносяться до розрізів першого типу,
може служити родовище Даукара в Кизил-Кумах.
Родовище приурочене до анізотропної водоносної товщі, що
складається з нерівномірного чергування тонкозернистих
піщаників із прошарками глин.
• Верхня частина обводненого розрізу потужністю в середньому
20м має в цілому меншу водопровідність та більший ступінь
анізотропії, ніж нижня, значно більше проникна частина
потужністю 45м.
• Кущова відкачка проведена із збурюючою свердловиною 3к із
фільтрами в інтервалі 48−56 і 66−79м. Спостереження
виконувались в п’єзометрах на середніх глибинах 39, 49, 59, 66 і
74м, тобто,
• П’єзометри розташовувались в площині фільтрів і вище з
інтервалом 10 м. Схема розташування п’єзометрів у плані й на
розрізі наведена на мал. ↓

12.

Рис. Схематичний план і розріз двошарової товщі при
К1>>K2 та 2 >> 1 на ділянці досkідного куща Зк (за даним Б.
Г, Грабовникова, А. М. Слинко, 1969р. Центральні Кизилкуми):
1 − положення п’єзометрів в плані, 2 − ізолінії зниження

13.

Рис. Графіки часового простеження зниження при випробуванні
двошарової товщі кущем Зк. Св. 31: г = 10м, km = 101м2/доба, а =
5,5*105. м2/доба; св. 35; г= 20м, km = 98м2/доба, а = . 4,4*105 м2/доба;
св. 49: r =36м. km = 99 м2/доба, а =. = 4*105 м2/доба.

14. Отримані параметри (простеження в часі)

15.

Рис. Графіки простеження: а − комбінованого простеження зниження
для куща Зк − km = 94 м2/доба а = 3,5*105 м2/доба при відстанях г
спостережних свердловин; 1 − 10м, 2 − 20м, 3 − 30м, 4 − 36м, 5 −
728м; б − площинного простеження на моменти часу t: 1 − 4год, 2 −
21год, 3 − 1000год.

16. Отримані параметри (площинне простеження)

Порівняння для різних методів

17. Метод В.А.Мироненко та Л.І.Сердюкова

Як видно з таблиці, результати всіх трьох способів збігаються, що
свідчить про те, що використані для розрахунків початкові
ділянки описуються рівнянням Тейса − Джейкоба, отже, вони
представницькі для обробки цим методом. Розраховані
параметри характеризують найбільш проникну частину
шаруватої товщі.
Для врахування водопритоку з верхньої слабо проникної
частини розрізу необхідно знати водовіддачу цієї частини. Всі
параметри, необхідні для такого розрахунку, можуть бути
визначені досить простим наближеним методом.

18.

Цей метод заснований на наступній залежності, отриманій з
використанням методу інтегральних співвідношень:
km – водопровідність нижнього горизонту;
S – зниження рівня в спостережній свердловині, розташованій
на відстані г від центральної;
l(t) − умовний радіус впливу на момент часу t від початку
відкачки.
Величина l(t) пов'язана з параметрами основного та
живлячого горизонтів наступною формулою
0 − водовіддача верхнього шару;
K0, h0 − коефіцієнт фільтрації й потужність верхнього
водоносного горизонту.

19.

Формула справедлива за умови:
де * − пружна водовіддача нижнього горизонту;
0 − водовіддача верхнього шару.
У реальних умовах це співвідношення звичайно виконується через
кілька діб після початку відкачки. Визначення параметрів
виконується в наступній послідовності.
• 1. По початковій ділянці часових графіків або по
площинним графікам (формула Дюпюі для двох
спостережних свердловин) визначається величина
водопровідності нижнього водоносного горизонту (Km).
Як уже вказувалося, визначення km по площинних
графіках (або по формулі Дюпюі) можливо й при
несправжньому стаціонарному режимі.

20.

2. При відомих значеннях Q, S і km визначається
величина l(t) на кілька моментів часу. Визначення
проводиться нескладним підбором, для полегшення
якого будується графік залежності −
якщо
то
3. Виконується уточнення величини водопровідності
нижнього горизонту по формулі − .
Якщо ця величина буде істотно відрізнятися від
прийнятої при розрахунку l(t), варто повторити
розрахунок l(t).

21.

4. За знайденим значенням l(t) на два моменти часу t2 і t1
визначається β:
По знайденому значенню β параметри верхнього горизонту μ0 та
К0 визначаються по формулах:

22.

Приклад розрахунку для умов розглянутої раніше ділянки
Даукара. Коефіцієнт водопровідності, отриманий по
початковим ділянкам часових графіків і за рафіком, виявився
рівним 97 м2/доба.
Розрахунок l(t)
Визначення β
По графіку β = f(t) дійсне значення β визначається рівним
0,005. Далі визначається величина μ0 та К0.

23. Висновки

Таким чином, при дослідженнях у двошарових товщах, залежно
від співвідношення водовіддачі, коефіцієнтів фільтрації шарів і
тривалості збурювання дослідна закономірність може бути
представлена:
1) початковою прямолінійною напівлогарифмічною ділянкою, з
інформацією про фільтраційні і ємнісні властивості
досліджуваного шару;
2) початковою ділянкою й ділянкою помилкової стабілізації, що
свідчить про наявність перетікання;
3) повною формою, що містить інформацію про фільтраційні
властивості досліджуваного шару й сумарній ємнісній
характеристиці всієї товщі. У далеких спостережливих
свердловинах початкові ділянки можуть бути відсутніми.

24. Висновки

Основний зміст інтерпретації полягає тоді в пошуку i кваліфікації
представницьких ділянок:
1. Якщо дослідні закономірності представлені простими прямо лінійними
напівлогарифмічними часовими (або комбінованими) графіками, обробку
роблять методом Джейкоба. По на початковим ординатам і кутовим
коефіцієнтам визначається коефіцієнт водопровіності та
п’єзопроводности досліджуваного шару.
У цьому випадку справедливі критерії й рекомендації щодо врахуванняо
складного характеру збурювання й. впливу границь шару в плані.
2. Якщо дослідні закономірності містять ділянку несправжнього
стаціонарного режиму, то параметри досліджуваного шару визначаються
методом Джейкоба, а водовіддача верхнього шару − методом В.А,
Мироненко, Л.И. Сердюкова. У цьому випадку, як і в попередньому,
застосовані критерії й прийоми, що враховують складний характер
збурювання й вплив планових границь шару.
3. Якщо дослідні закономірності містять кінцеву квазістаціонарну ділянку,
то методом Джейкоба визначається коефіцієнт водопровідності
досліджуваного шару й коефіцієнт рівнепроводности з урахуванням
гравітаційної водовіддачі верхнього шару. При істотній тривалості періоду
помилкової стабілізації критерії, що враховують вплив границь шару в
плані, не застосовуються.

25. Багатошарова товща з відносно витриманими поділяючими шарами

При наявності водотривів потужністю кілька десятків метрів з
коефіцієнтами фільтрації К0 < 3*10-4 м/доба ефект взаємодії
відчутно проявляється через тривалий проміжок часу, як
правило, більше 10 діб.
В зв'язку з цим з достатньої для практики точністю можна
визначати основні параметри водоносного шару методом
Джейкоба як для ізольованого напірного шару.
Основним питанням інтерпретації дослідних даних при цьому
є діагностування початкової ділянки для встановлення факту
відсутності в цей період небажаного впливу перетікання.
Це завдання з успіхом вирішуються способами часового,
площинного й комбінованого простеження. Основна
контролююча ознака вірогідності параметрів − стабільність по
способах обробки.

26. Багатошарова товща з відносно витриманими поділяючими шарами

1) У деяких випадках у багатошарових товщах доцільна
постановка спеціальних дослідних робіт, тривалість яких повинна
становити 30−40 діб.
2) За результатами таких відкачок повинен бути встановлений
сам факт перетікання через поділяючі слабо проникні відклади й
визначені гідрогеологічні параметри, причому, крім основних
параметрів (Km та ап), повинен бути також розрахований
коефіцієнт перетікання (В).
3) Як відомо у загальному випадку на графіках S − lg(t) в умовах
багатошарової товщі виділяється три періоди. Перший період,
при якому перетікання не позначається, при коефіцієнтах
фільтрації поділяючих шарів 10-2 −10-3 м/добу може мати
невелику довжину (особливо для далеких спостережливих
свердловин). Тому в таких умовах на графіках виділяється або
другий, або другий і третій періоди.

27. Багатошарова товща з відносно витриманими поділяючими шарами

При цьому залежно від умов у шарі, з якого відбувається
перетікання, третій період може бути різним:
– в цьому шарі напір не змінюється, наступає стабілізація рівня
в досліджуваному горизонті;
– напір змінюється і рівень в досліджуваному горизонті
знижується.
В останньому випадку темп падіння рівня на третій ділянці
графіка S − lg(t) відповідає умовам ізольованого напірного шару
з параметрами, обумовленими по наступних залежностях:
де (km)1 і (km)2 − відповідно водопровідність горизонту, з якого
відбувається перетікання, і досліджуваного горизонту;
μ*1 ,μ*2 − коефіцієнти пружної водовіддачі цих горизонтів
(якщо горизонт, з якого відбувається перетікання безнапірний),
замість пружної водовіддачі використовується гравітаційна);
W − граничне значення функції Хантуша при перетеканні з
постійним рівнем, що залежить від величини (r/B).

28. Графік функції W(u,r/B)

29. Багатошарова товща з відносно витриманими поділяючими шарами

При обробці даних дослідних відкачок в умовах багатошарових
товщ можуть бути наступні випадки.
1. Спостережні свердловини в суміжних водоносних горизонтах
не реагують.
На графіку S − Ig(t) виділяється одна прямолінійна ділянка.
Km відповідний цьому графіку близький до Km, розрахованому
за графіком S − lg (г), (або формулі Дюпюі).
Це свідчить про те, що перетікання практично не відбувається.

30. Багатошарова товща з відносно витриманими поділяючими шарами

2. Спостережні свердловини в суміжних водоносних горизонтах
практично не реагують.
У процесі відкачки зафіксована стабілізація рівня в
спостережних свердловинах, закладених на основний
водоносний горизонт.
Коефіцієнт водопровідності, отриманий за графіком S − lg(t) по
ділянці, що передує стабілізації, значно перевищує коефіцієнт
водопровідності, розрахований за графіком S − lg (г) (формулі
Дюпюі).
Таке сполучення різних ознак говорить про перетікання з
постійним рівнем у живлячому шарі (Н = const; S = 0).
У цьому випадку для розрахунку водопровідності варто
використовувати графіки S − lg( г) на період стабілізації та по
цьому ж графіку визначати коефіцієнт перетікання. Методика
його визначення буде викладена нижче,

31. Багатошарова товща з відносно витриманими поділяючими шарами

3. Спостережні свердловини в суміжних водоносних горизонтах не
реагують.
У свердловинах на основний водоносний горизонт відбувається
зниження рівня. На графіку S −lg(t) виділяються дві
прямолінійних ділянки. Значення Km, розраховані по першій
прямолінійній ділянці графіка S − lg (t) і по графіках S − lg (r),
практично збігаються. Значення Km, отримане по другій
ділянці графіка, значно перевищує його значення, отримані по
першій ділянці й площинних графіках. У таких випадках можна
зробити висновок про наявність перетікання.
Розрахункові параметри визначаються в такий спосіб.
Коефіцієнт водопровідності та п’єзопровідності − по першій
прямолінійній ділянці графіка S − lg (t) з контрольною
перевіркою коефіцієнта водопровідності за графіком S − lg (r), а
коефіцієнт перетікання (В) − по даним про зниження рівня на
кінець відкачки при відомому значенні ап та Km. При цьому
застосовується метод моделювання.

32. Багатошарова товща з відносно витриманими поділяючими шарами

4. У спостережних свердловинах, обладнаних па суміжні
горизонти відбувається зниження рівня, що не стабілізується до
кінця відкачки.
У цих умовах можна вважати, що відбувається перетікання з
рівнем, що змінюється, у живлячому горизонті,
5. У спостережливих свердловинах, обладнаних на суміжні
водоносні горизонти, відбувається зниження рівня, однак через
якийсь час режим стабілізується.
Такі умови характерні звичайно для багатошарових товщ, коли
верхній водоносний горизонт, з якого відбувається живлення,
гідравлічно пов’язаний з поверхневим водотоком або водоймою.
Фільтрація поверхневих вод приводить до стабілізації руху у
верхньому водоносному горизонті, що у свою чергу визначає
настання стаціонарного режиму в досліджуваному шарі.

33. Багатошарова товща з відносно витриманими поділяючими шарами (приклад)

• Розглянемо методику обробки даних відкачки в умовах
тришарової товщі, коли підземні води верхнього горизонту
гідравлічно пов’язані з поверхневими водами. на прикладі
групової дослідної відкачки з нижньочетвертинного водоносного
горизонту ділянки Лугове Сусунайської депресії на острові
Сахалін (по даним А.Ф. Прядко, Б.А. Гришечкіна, Б. М.Нільги).
На ділянці виділяється два основних водоносних горизонти
(верхньо-средньочетвертинний і нижньочетвертинний),
приурочених до піщано-гравійно-галечникових відкладів з
лінзовидними включеннями глин і алевритів. Водоносні
горизонти розділені відносно витриманою пачкою глин
потужністю від 10 до 20 м, що місцями, особливо в прибортових
частинах депресії, глини заміщаються пісками або алевритами.
При розвідці нижньочетвертинного горизонту з нього була
проведена відкачка з 5 свердловин із сумарним дебітом 32780
м3/доба. Спостережні свердловини обладнані як на верхній, так і
на нижній водоносні горизонти. Гідрогеологічний розріз по
ділянці робіт та схема розташування свердловин показані на
мал. ↓.

34.

Рис. Схема розташування свердловин і розріз по 1−1 ділянки
Лугове 1969р., о.Сахалін).
1 − гравійно-галечникові відклади, 2 − глини, 3 − суглинки. 4 −
положення фільтра, 5 − дослідні свердловини, б − спостережні
свердловини: а − на нижній горизонт. б − на верхній горизонт I −
верхній горизонт, II − нижній горизонт

35.

Рис. Графіки часового й площинного простеження зниження при
oupoбуванні тришарової товщі груповою відкачкою на кущі 53, 56,
58, 65, 66. ΣQ = 32780 м3/доба а − графік часового простеження по
св.42 на верхній горизонт, гпр = 404м; б − графік часового
простеження по св.47 на нижній горизонт, гпр = 304 м, km =. 1370
м2/доба; в − графік площинного простеження по нижньому
горизонту. гпр = 5250 м, km = 1500 м2/доба.

36.

Коефіцієнт водопровідності, отриманий по першій
прямолінійній ділянці графіка (ділянка I), виявилася рівним
1370 м2/доба. На графіку S − lg (r) відзначається деякий
розкид крапок, проте осереднена пряма може бути проведена
досить чітко. Величина коефіцієнта водопровідності, отримана
по цьому графіку, склала 1500 м2/доба, тобто, дуже близька до
значення, розрахованому за графіком S − lg (t) .
Визначення величини В виконується з використанням
залежності для умов перетікання з постійним рівнем у
живлячому шарі:
При наявності декількох спостережливих свердловин
визначення (В) також проводиться, але по графіку S − lg г. Із
цією метою за графіком по відрізку, що відтинається на ocі
lg( г), визначається значення lg (rпр.), чисельно рівне lg(1,12B)
(тут rпр. − приведений радіус впливу). Величина (В)
визначається по формулі:
Величина В, отримана за графіком S − lg (гпр) у розглянутому
прикладі виявилася рівною 4700 м.