2. Общая гидродинамическая характеристика

опытных откачек и типизация условий опробования

1. Изменения в подземной гидростатике и гидродинамике при опытной откачке

По своей физической сути опытная откачка представ­ляет собой некоторое искусственное возмущение в гидро­статике и гидродинамике водоносного пласта. Снижение уровня воды в опытной скважине и появление перепада напоров между нею и прилежащей зоной водоносного пласта вызывает движение воды к скважине из смежной области. Отток жидкости нарушает исходное равновесие между объемом и давлением воды в порах, так что послед­нее начинает снижаться, а давление в минеральном скеле­те (эффективное давление) — возрастать. Уменьшение гидростатического давления приводит к частичному рас­ширению поровой воды, а последующее увеличение эф­фективного давления — к некоторому сжатию пласта и уменьшению объема пор. Таким образом, в прилежащей к скважине области появляется излишек воды (по отно­шению к равновесному ее объему при изменившемся на­пряженном состоянии), который и поступает в скважину: срабатываются упругие запасы водоносного пласта. Ком­пенсация отбираемого при откачке расхода жидкости тре­бует вовлечения в этот процесс все более дальних зон водоносного пласта, в результате чего снижение напоров, вызываемое откачкой, распространяется по площади и по разрезу. При этом снижение напоров вблизи верхней гра­ницы обводненности пласта вызывает появление здесь нисходящей фильтрации жидкости, сопровождаемой по­степенным осушением верхней части пласта и соответст­вующим понижением уровня (депрессионной поверхно­сти) , т.е. срабатываются гравитационные запасы пласта.

Таким образом, последовательность вовлечения в фильтрационный процесс «внутренних» запасов водонос­ного шгаста при откачке такова:

|~Т | вода из ствола скважины;

[~2] вода, обусловленная упругим расширением са­мой жидкой фазы;

(~3~| вода, обусловленная уменьшением пористости или степени трещиноватости водоносного пласта ;

|~4~| гравитационная вода. Конечно, приведенную по­следовательность следует понимать лишь в смысле преоб­ладания в общем балансе жидкости того или иного факто­ра, так как на деле они действуют совокупно, причем в разных зонах пласта относительная роль каждого фактора в данный момент времени также различна.

Наряду с упомянутыми «внутренними» запасами пла­ста, в процесс на разных его стадиях могут постепенно включаться и внешние (по отношению к опробуемому пласту) источники питания.

1 ] Снижение напоров на границах со смежными от­носительно водоупорными слоями приводит к привлече­нию их естественных запасов, которые могут иногда быть вполне соизмеримыми с упругими запасами самого водо­носного пласта или даже заметно их превышать (см. раз­дел 1.4).

|~2] По мере распространения возмущения вдоль мощности относительно водоупорного слоя снижение на­поров достигает его внешней границы, и в процесс вовле­каются упругие и гравитационные запасы смежных водо­носных горизонтов: напоры в них начинают снижаться, так как вода из этих горизонтов перетекает через относи­тельно водоупорные слои, поступает в основной пласт и по нему движется к скважине. При больших запасах воды в смежном горизонте перетекание может отмечаться при практически неизменных уровнях воды в нем (см. соот­ветствующую задачу из раздела 3.2) . Важно заметить, что при больших размерах депрессионной воронки перетека­ние может иметь определяющее значение для результатов откачки даже при очень слабой проницаемости относи­тельно водоупорных толщ (порядка 10~³-10'⁴ м/сут).

3 При снижении напоров в пласте вблизи рек и поверхностных водоемов в процесс вовлекаются поверх­ностные воды. В случае достаточно высокой проницаемо­сти придонных отложений напоры непосредственно на контуре реки (водоема) практически не зависят от откач­ки. В противном случае (реки и водоемы с закольматиро- ванным дном) возникает разность напоров между рекой (водоемом) и пластом, пропорционально которой растёт интенсивность подтока поверхностных вод (см. формулу

(2.49).

Среди внешних источников питания будем в дальней­шем особо выделять источники обеспеченного питания, характеризующиеся практической независимостью напо­ров от водоотбора при откачке. Очевидно, это возможно в том случае, когда запасы воды в источнике питания значительно превышают расходы опытной скважины. Ес­ли суммарное поступление воды за счет источников обес­печенного питания, попавших в зону влияния откачки, сравнивается с дебитом опытной скважины, то последний этап откачки протекает в условиях стационарного режи­ма. В противном случае в течение всего опыта зона влия­ния откачки постепенно растет, и движение носит неста­ционарный характер.

Понятно, что описанные фильтрационные процессы будут заметно проявляться лишь на тех участках, где отмечается ощутимое изменение напоров, обусловленное откачкой, т.е. в зоне влияния откачки. Нужно, однако, заметить, что представления об области влияния являют­ся недостаточно определенными (см. раздел 4.1). Из этой неопределенности как будто можно найти выход, догово­рившись понимать под зоной влияния область, где пони­жения превышают некоторую заданную малую величину (определяемую требованиями к точности решения дан­ной задачи). Но дело в том, что заранее эта величина не может быть назначена: в частности, из области с малыми понижениями, подчас соизмеримыми с точностью изме­рения, поступает нередко существенная доля (десятки процентов) откачиваемой воды, так как области с малыми понижениями, располагаясь в краевых частях депресси- онной воронки, занимают большие площади.

ЗАДАЧА. Покажите это, используя формулу Тейса для опреде­ления зависимости расхода потока от радиальной координаты (см. заключительную часть вывода формулы Тейса в разделе 4.12).

Коль скоро незначительные масштабы возмущения не являются признаком малого влияния на откачку, то поня­тие области влияния в общераспространенном его смысле утрачивает свое полезное значение и приводит на практи­ке к путанице в основных представлениях. Для конкрети­зации этих представлений мы будем в дальнейшем ис­пользовать понятие зона (область) эффективного влия­ния, определяя им ту область водоносного пласта, филь­трационные свойства которой наиболее ощутимо влияют на результаты откачки.

Размеры зоны эффективного влияния откачки суще­ственно предопределяют степень проявления масштаб­ных эффектов в процессе эксперимента.