1.Понятия гидростатического напора. Давления в водоносных пластах , градиента напора.

Гидростатическое давление –напряжение, возникающее внутри жидкости под действием внешних сил.

Z-высота расположения рассматриваемой точки (частицы) жидкости.

P-гидростатическое давление в этой точке.

Гидростатический напор. Известно, что механическая энергия некоторого объема покоящейся жидкости с постоянной плотностью определяется ее потенциальной составляющей и измеряется работой, которую надо совершить, чтобы преодолеть действие сил двух полей :1)гравитации (поднять этот объем жидкости на высоту z относительно выбранной плоскости сравнения), 2)гидростатического давления (действующего в этом объеме).

Градиент напора- изменение напора на единицу длины пути.

2.Фильтрационные и емкостные показатели пластов

С емкостными свойствами горных пород связана их способность отдавать воду. На практике удаление воды из пород с зоны насыщения в их естественном залегании обычно идет 2 путями:

1. В свободном стекании, обусловлено гравитационными силами

2. Отжатием под действием на породу дополнительной нагрузки

В первом случае говорят о гравитационной емкости горных пород а в во втором случае об упругой емкости горных пород ( т.к. эти воды находятся в условиях отжатия)

Гравитационная я емкость. Процесс отдачи влаги из безнапорного водоносного горизонта стеканием из пор при понижении свободного уровня (депрессионной поверхности) называется гравитационной водоотдачей.

Отношение объема вытекшей воды к осушенному объему горной породы называется коэффициентом гравитационной емкости (гравитационной водоотдачи) безнапорного горизонта.

Аналогом коэффициента гравитационной водоотдачи при подъеме уровня подземных вод и заполнении пор водой служит коэффициент недостатка насыщения.

Для характеристики проницаемости пласта используют понятие «водопроводимости»,а емкости понятие «емкости пласта».

Упругая емкость

Напорный водоносный горизонт может отдавать воду двумя путями

1 за счет сжатия породы при приложении к ней дополнительных эффективных напряжений

2 за счет расширения воды при уменьшении в ней гидростатического напора

Упругая емкость оценивается коэффициентом упругоемкости горных пород. Она представляет собой изменение объёма жидкости ы единице объема породы при единичном изменении напора.При снижении напора количество жидкости в пласте уменьшатся и это уменьшение характеризуется коэффициентом упругой водоотдачи пласта .Для оценки скорости процессов осушения( насыщения) пласта в целом,т.е. характера и положения уровня грунтовых вод используют коэффициент уровнепроводимст.,а для оценки скорости упругого насыщения или осушения коэффициент пьезопроводимости.

3.Линейный закон фильтрации Дарси.Границы применения закона Дарси

Основной закон фильтрации воды в пористой среде был установлен в 1856г французским гидравликом А.Дарси.Путем наблюдений за расходом воды через образец песка с заданными длиной и площадью поперечного сечения. В дальнейшем полученная математическая зависимость получила название закон Дарси. Закон Дарси выражающет способность горных пород фильтровать жидкость через площадь поперечного сечения 1 см² со скоростью 1 см/сек при перепаде давления жидкости 1 кгс/см²  на 1 см длины пути фильтрации.

  

Проверке и исследованию пределов применимости закона Дарси посвящено значительное число работ отечественных и зарубежных специалистов. В процессе этих исследований показано, что можно выделить верхнюю и нижнюю границы применимости закона Дарси и соответствующие им две основные группы причин.

1) Верхняя граница определяется группой причин, связанных с проявлением инерционных сил при достаточно высоких скоростях фильтрации.

2) Нижняя граница определяется проявлением неньютоновских реологических свойств жидкости, ее взаимодействием с твердым скелетом пористой среды при достаточно малых скоростях фильтрации.

Рассмотрим каждый из этих предельных случаев, которые приводят к нелинейным законам фильтрации.1. Верхняя граница применимости закона Дарси

Наиболее полно изучены отклонения от закона Дарси, вызванные проявлением инерционных сил при увеличении скорости фильтрации. Верхнюю границу применимости закона Дарси связывают обычно с некоторым критическим (предельным) значением числа Рейнольдса1

2. Отклонения от закона Дарси при малых скоростях фильтрации

В опытах, проведенных в конце прошлого века с тонкозернистыми грунтами при малых скоростях, было обнаружено увеличение скорости фильтрации с ростом градиента давления более быстрое, что это дает линейный закон Дарси. Однако объяснение этого факта не приводилось.

Начиная с 50-х годов XX в. появилось большое число теоретических и экспериментальных работ, подтвердивших нарушения закона Дарси в области малых скоростей. Это явление заметнее всего при движении воды в глинах, но наблюдается также и при фильтрации в песках и песчаниках не только воды, но и нефтей. При этом во всех экспериментах обнаруживалась существенная нелинейность закона фильтрации при малых скоростях.

Объяснение этого явления заключается в том, что при малых скоростях фильтрации становится существенным силовое взаимодействие между твердым скелетом породы и фильтрующимся флюидом, которое может дать преобладающий вклад в фильтрационное сопротивление. При весьма малых скоростях потока сила всякого трения кренобразного мало, тогда как сила межфазового взаимодействия остается при этом конечной величиной, поскольку она не зависит от скорости и определяется только свойствами контактирующих фаз. В результате такого взаимодействия нефть, содержащая поверхностно-активные компоненты, в присутствии пористого тела с развитой поверхностью образует устойчивые коллоидные растворы (студнеобразные пленки), частично пли полностью перекрывающие поры. Чтобы началось движение, нужно разрушить эту структуру, приложив некоторый перепад давления. В случае фильтрации воды в глинизированных породах аналогичные соображения относятся к образованию коллоидных глинистых растворим, при этом структурообразующий компонент-глинистые частицы можно заимствовать из самого материала твердого скелета.

4.Дать определение коэффициентам уровнепроводности, пьезопроводности.

Для оценки скорости процессов скорости гравитационного осушения или насыщения системы в целом,т.е скорости и характера изменения положения уровня грунтовых вод, используют коэффициент уровнепроводности

а для оценки скорости упругого насыщения или осушения коэффициент пьезопроводности

a*=

КОЭФФИЦИЕНТ УРОВНЕПРОВОДНОСТИ ГОРНЫХ ПОРОД —величина, характеризующая скорость передачи напора и изменение уровня подземных вод со свободной поверхностью

КОЭФФИЦИЕНТ ПЬЕЗОПРОВОДНОСТИ ПЛАСТА (а²) — служит основной характеристикой процессов перераспределения пластовых давлений — определяет темпы изменения пластового давления: 

5.Дать определение коэффициента фильтрации. Описать методы определения коэффициента фильтрации.

КОЭФФИЦИЕНТ ФИЛЬТРАЦИИ —величина, характеризующая водопропускную способность г. п., являющаяся постоянной для определенной п. Представляет собой скорость фильтрации при напорном градиенте, равном единице, и выражается в м/сут или см/сек.

Определение коэффициента фильтрации горных пород можно проводить на основании использования эмпирических формул, лабораторных данных и полевых опытов. Эмпирические формулы позволяют быстро определить коэффициент фильтрации горных пород на основании данных об их пористости и механического состава. Однако эти формулы дают лишь приблизительные представления о водопроницаемости пород и могут быть использованы только при предварительных расчетах.

Лабораторные методы основаны на изучении скорости движения воды через образец грунта при различных градиентах напора. Все приборы для лабораторного определения коэффициента фильтрации могут быть подразделены на два типа: с постоянным напором и с переменным. Принцип работы приборов: В цилиндрический сосуд с двумя боковыми пьезометрами П1 и П2 помещают испытуемый грунт, через него фильтруют воду под напором. Зная диаметр цилиндра F, напорный градиент (I = ΔH/L) и измеряя расход профильтровавшейся воды Q, находим коэффициент фильтрации по формуле kф = QL/F(h1-h2), Где h1 и h2 – показатели пьезометров; L – расстояние между точками их соединения Приборы, моделирующие постоянство напорного градиента, т. е. установившееся движение, применимы в основном для грунтов с высокой водопроницаемостью, например для песков. Для суглинков и супесей применяют приборы типа ПВГ (Рисунок 5), позволяющие определять коэффициент фильтрации образцов с нарушенной и ненарушенной структурой. Для глинистых пород наибольшее значение имеет определение коэффициента фильтрации в образцах с ненарушенной структурой, обжатых нагрузкой, под которой грунт будет находиться в основаниях зданий и сооружений. Приборы, моделирующие переменный напор, характеризующий неустановившееся движение, обычно используют для определения коэффициента фильтрации связных грунтов с малой водопроницаемостью.  Простота и дешевизна лабораторных методов позволяет широко их использовать для массовых определений коэффициента фильтрации. Полевые методы позволяют определить коэффициент фильтрации в условиях естественного залегания пород и циркуляции подземных вод, что обеспечивает наиболее достоверные результаты.  Коэффициент фильтрации водоносных пород определяют с помощью откачек воды из скважин, а в случае неводоносных грунтов – методом налива воды в шурфы и нагнетанием воды в скважины.