Способ определения гидродинамических параметров водоносного пласта

(19) (11) 4(51) Е 21 В 47/1 ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ ВТОРСНОМ ЕЛЬСТ-из трац кваж ичин проый м, оп идо 3 р. Основов. М гидд вре сти сеч РОДУГО Р У ГОСУДАРСТЕЕННЫЙ НОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ(71) Московский ордена ТрудовоКрасного Знамени геологоразвединститут имС.Орджоникидзе(54)(57) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ГИДНАМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ВОДОНОСН ПЛАСТА, включающий откачку водь скважины данного пласта, регис восстановления уровня воды в с не во времени и определение вел коэффициентов фильтрации и пъеэ водности пласта по данным регис ции, отличающийся т что, с целью повышения точности ределения гидродинамических пар ров, регистрацию восстановления ня воды осуществляют при разных чениях площади проходного сечен скважины для жидкости интервала менения ее уровня и определяют мя восстановления уровней жидко для нулевой площади проходного1 1148Изобретение относится к геолого- разведочным работам на подземные воды (пресные, промышленные, минеральные, термальные), а также может бьггь использовано при обосновании систем заводнения нефтяных и газовых место. рождений, в гидротехническом строительстве, осушении месторождений твердых полезных ископаемых, мелиорации сельскохозяйственных угодий. 1 ОИзвестен 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 водыиз центральной скважи 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 водо- притока к скважине, получают искомые значения коэффициентов фильтрации и пьезопроводности 11 .35 Недостатком данного способа является высокая стоимость опытных работ, связанная с необходимостью бурения нескольких скважин.40Известен также способ определения коэффициента фильтрации и пьезопроводности (уровнепроводности), основанный на использовании только одной скважины, которая одновременно явля 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 2355Недостатком известного способа ; является то, что уровень воды в скважине в процессе его восстановле 997ния не совпадает с истинным положением уровня воды в водоносном пласте, Неточность регистрации уровня в водоносном пласте приводит к погрешности 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 водо- косного 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 опьгга 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 = Г(Я), 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 способ, осуществляемый по второму варианту.1148997 гь 8 к 3В 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 в 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 г 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 радиу сами г и г , позволяющих полуЯчить два разных значения площади проходного сечения опытного интервала, третье значение проходного сечения (максимальное) соответствует отсутствию вкладьппа г = О.ЭПлощадь проходного сечения ствола скважины равнаБпс - п гп гЬ Як (М )л 2 л 2 2 где г - радиус ствола скважиныо 35(обсадной трубы) в пределах рабочего интервала,- радиус вкладыша- площадь поперечного сече -ния воздушной трубы зрлифт 40ной установки 6.Вкладыши собираются из отдельных звеньев, свинчивающихся между собой, длиной 5-10 м, что позволяет собирать вкладьппи любой длины, отвечаю щих кокретным условиям проведенияработ по определению коэффициентов фильтрации и пьезопроводности. Вкладыш 8 переменного (двухступенчатого) сечения, также собираемый из отдель ных, свинчивающихся между собой звеньев (фиг. 2) предназначен для осуществления предлагаемого способа по второму варианту.Способ определения коэффициентов 55 фильтрации и пьезопроводности (уровнепроводности) заключается в следующем. 1 вариант,Из скважины, оборудованной водо- подъемной 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 ориентировочньи расчетом, либо исходя из имеющегося опыта работ в сходных условиях. В ходе откачки осуществляют наблюдения за дебитом и понижением уровня, для чего используют уровнемер непрерывного (самопишущий) либо дискретного действия. Датчик уровне- мера 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 1 цикл. Завершив 1 цикл, приступают к выполнению 11 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 деби 1148997ту откачки, установленному в процессе 1 цикла. Все последующие операции (остановка откачки по достижении минимального уровня, регистрация уровней с помощью уровнемера) 5полностью идентичны тем, которыеосуществлялись в процессе 1 цикла.По завершении 11 цикла приступаютк 111 циклу: вкладьпп радиуса гЬ заменяют на вкладыш следующего размера гЬ таким образом, что его длинаи положение в скважине соответствуютдлине и положению вкладыша, использовавшегося на предыдущем этапе. Всепоследующие операции: предварительная откачка, ее остановка, регистрация уровней полностью идентичны тем,которые осуществлялись в ходе 1 и11 циклов,По окончании 111 цикла приступают20 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) (Бс, Я, 3- значения площадей. проходных сечений рабочего интервала в 1, 11 и 111 циклах опытных работ соответственно, С 1, С, С - продол- о жительность полного времени восстановления за 1, 11 и 111 циклы). Построив указанный график, определяют его начальную ординату, значение которой соответствует истинному време ни восстановления уровня, не завися-, щему от площади проходного сечения скважины (Б п = О) и, следовательно, от ее "инерционности". Дальнейшие расчеты коэффициентов фильтрации и 40 водопроводимости (уровнепроводности) выполняются по стандартной методике 2, при этом в качестве времени исполь уют его истинное значение, найденное описанным выше способом. 45 Использование в расчетах истинного времени приводит к тому, что результирующие значения искомых коэффициентов также будут истинными.11 вариант, БО11 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; Ь, = 22,0,й, Ь 1 = 15,0 м, Ь =7,0 м, Ь = 0,0 м (верх рабочего интервала принят за начало отсчета). Основываясь на свойствах уравнения, описывающего процесс восстановленияуровня воды в скважине на вертикальной оси выделяют расчетные интервалы,границы которых соответственно обоз"начаются: Ьо, Ь Ь, Ь, Первый(нижний) расчетный интервал соответствует нижней ступени рабочего интервала, откуда следует, что Ь= Ь = 22,0 м; Ь, = Ь 1 = 150 м,Находят коэффициент М = -- = - =Ьо 22 ОЬ 15,01,47,Нижняя граница второго (среднего)расчетного интервала совпадаетс нижней границей средней ступени1148997 10 7Ь = Ь 1 = 15,0 м, верхняя граница1 находится из соотношения ЬЬ, 1502: д- = 10,22 м.Р 1,47Нижняя граница третьего (верхнего) расчетного интервала совпадает с нижней границей третьей ступени (верхний): Ь 2 = 7,0 м. Верхняя граница третьей расчетной ступени на ходится из соотношения ЬЬ 70- 4,77 м.1,47 Установив границы расчетных интервалов, с горизонтальной оси снимают значения времени восстановления и пределах каждого из трех расчетных и 1.тервалов Е = 126 с, С 2 = 284 с и йз = 506 с. Найденные таким образом значения С 1, й 2 и Сиспользуются 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 мето 30 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 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 Ь, а затем откачку прекратить, то в результате перетекания жидкости из реки в пласт, а из пласта в сква жину, уровень воды начнет восстанав.ливаться (подниматься). Очевидно, что относительная скорость восстановления уровня составляетйЬ-- +(1)55Ыггде Я - расход жидкости, поступающий из пласта в скважину,Ы - площадь поперечного сечения1ствола скважины, равнаяи г(г - радиус скважинны),9- площадь поперечного сеченияреки, очевидно, что Я =Оо,Ь - понижение уровня воды вскважине относительно егопервоначального положения.Откачка из скважины, расположенной вблизи реки, описывается следующим уравнением2 Чв1 2ь ,1где ш - мощность (толщина) водоносного пласта,- параметр, характеризующийстепень несовершенстваскважины;. 1 - расстояние от скважины дореки,- коэффициент фильтрации.Подставляя выражение (2) в (1) иинтегрируя полученный результат отСо до С (йо - начало восстановленияуровня), получаем полное время восстановления уровня от его начального(перед восстановлением) положения Ьдо Ь При радиусе скважины О, 1 м, расстоянии ее от реки 100 м и каца = - 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 примерпоказывает зависимость скорости .подъема уровня (восстановления) отплощади поперечного сечения скважины, в рассматриваемых условиях истинное время восстановления равноО, так как вода принята неожидаемой.Таким образом, используя для оценкигидрогеологиче ских параметров,(коэффицинтов фильтрации и пьезопроводности) способ, именуемый "способомпрослеживания восстановления уровня" (2), получим погрешность, по 9 1скольку учет инерционности скважийИэтим способом не предусматривается.Анализ уравнения (3) позволяетпредложить способ оценки истинноговремени восстановления уровня, аследовательно, нахождения истинныхзначений коэффициентов Фильтрациии пьезопроводности,Предлагаемый способ может бытьосуществлен в двух вариантах;1 вариант. Из уравнения (3) сле. -дует, что если опыт по восстановлению уровня провести три (или более)раза при разных значениях площадипоперечного сечения скважины, тобудут получены три значения временивосстановления уровня, Полученныерезультаты позволяют построить график зависимости (Фиг. 4), начальнаяордината которого выражает истинноев)емя 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).11 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 одинаковымЬо Ь- (4)ь, ь,ьЕсли рабочий интервал скважины (в котором производится восстановле 148997 1 Оние уровня, простирающийся от Ьо доЬ имеет ступенчатую структуРу,то время восстановления в интервалах,выделяемых по правилу, выражаемомууравнением 4 будет различным, таккак оно зависит от размеров проходных сечений этих ступеней, отсюдаследует, что время восстановленияуровня воды в пределах интервалов, 10 выделяемых по правилу уравнения (4)(расчетных интервалов) может служитьдля оценки зависимости времени восстановления от площади проходногосечения (Фиг. 4), по которой определяют истинное время восстановления.Нижние границы всех расчетных интервалов совпадают с нижними границами ступеней, характеризующихся соответствующими значениями проходныхсечений. Верхняя граница нижнегорасчетного интервала также совпадаетс верхней границей нижней ступени.Верхние границы остальных расчетныхинтервалов определяются расчетом по 25 соотношению, вытекающему из уравненияЬп.=" - =)где Ь., - нижняя граница расчетноного интервала (совпа дающая с Фактическим положением границы соответствующей ступени),1Ь- верхняя граница.КоэФфициент Ж находится по зна чениям границ нижнего расчетного интевала, совпадающих с границами нижней ступени.Технико-экономический эффект предлагаемого способа заключается в том, 40 что он обеспечивает высокую точностьопределяемых гидрогеологических параметров (коэффициентов фильтрациии пьезопроводности) при большой экономии времени и средств, так как яв ляясь односкважинным методом, избавляет от необходимости сооружать специальные наблюдательные скважины.ВИВ Заказ 1842/22 ,Тираж 540 НоНдиское Фдддад ННН знНдааиа"-г.ужгород,.уи.дроектиаа, 4