3. Основные расчетные схемы

Многообразие условий проведения опытно-фильтра­ционных работ обусловливает необходимость выделения типовых расчетных схем, к которым может быть сведена реальная природная обстановка в процессе гидрогеологи­ческой схематизации. В качестве основных расчетных схем рассматриваются следующие [23].

\

схема

Изолированный однородный напорный пласт

Гетерогенные напорные системы, среди которых будем"выделять:

• пласт с перетеканием — схемаИ -1, — т.е. однород­ный по проницаемости и емкости напорный гори­зонт при наличии перетекания из смежного водо­носного горизонта через относительно водоупор­ный разделяющий пласт (упругие запасы воды в последнем могут быть пренебрежимо малы или тре­буют специального учета);

• изолированный геретогенный пласт — схема II -2, которая подразделяется на подсхему II -2 а — на­порный пласт, сложенный слоями однородных по проницаемости и емкости фильтрующих пород, и подсхему II -2 б — однородный пласт гетерогенных пород (пласт, сложенный породами с двойной ем­костью - см. раздел 1.4).

Безнапорный, изолированный снизу пласт —

схема! И; пласт может быть двухслойным (хорошо про­ницаемый слой перекрыт относительно слабопроницае­мым, к которому во время эксперимента приурочена де- прессионная кривая) — схема III -1 или однослойным — схема III - 2 .

Кратко охарактеризуем физические предпосылки, на которых строятся основные расчетные схемы.

Схема I предполагает, что расход откачки полностью компенсируется упругими запасами опробуемого одно­родного напорного пласта. В каждой его точке, характе­ризующейся в момент t понижением напора S (0, возра­стание эффективных напряжений на величину у₀ S приво­дит к синхронному выделению упругих запасов в объеме

4^ рп

и S с единицы площади пласта (см. раздел 1.4). Тем самым одновременно предполагается, что породы кровли пласта по мере его сжатия прогибаются вместе с ним, не оказывая сопротивления деформированию.

ВОПРОС. Как должна зависеть допустимость этого предполо­жения от размеров области влияния откачки?

Очевидно, что расчетная схема I служит хорошим приближением при очень слабых проницаемости и сжи­маемости пород, смежных с опробуемым пластом. Эта же схема может использоваться для описания сравнительно кратковременных процессов, в течение которых поступ­ление воды из смежных пластов не успевает проявляться.

Схема II - 1 предполагает, что расход откачки ком­пенсируется не только упругими запасами опробуемого однородного напорного пласта, но и поступлением воды из смежных с ним водоносного и разделяющего пластов, непосредственно из которых откачка не ведется (рис. 5.2).

Если считать, что проявлением упругих запасов раз­деляющего пласта можно пренебречь, то дополнительное поступление воды в пласт обусловлено лишь перетекани­ем из смежного водоносного пласта через несжимаемый разделяющий слой (см. разделы 2.3.2 и 3.2.2).

L.L.LLJ J. -I- L1.J..

' / 1/1 ТТТТТГГ! / ГТ77 П 1 / /1 ! 7 i/I ТТ / /

Рис. 5.2. Схема взаимодействующих пластов

ВОПРОСЫ. От чего в этом варианте зависит интенсивность перетекания на единицу площади пласта? Как она меняется в про­цессе опыта, если запасы воды в питающем водоносном пласте весьма велики в сравнении с расходами перетекания? Когда начинается перетекание? Ответ на последний вопрос свяжите с упругоемкостью пород разделяющего пласта.

Несмотря на то, что реальные разделяющие пласты характери­зуются довольно заметными упругими запасами, такой подход часто приводит к вполне удовлетворительным результатам: ввиду влияния макронеоднородности разделяющих пород по проницаемости их уп­ругие запасы при откачках ограниченной продолжительности могут не проявляться в ощутимой мере, и время распространения возмуще­ния через разделяющих пласт оказывается пренебрежимо малым.

В противном случае на ранних этапах опробования дополнительное поступление воды в основной пласт оп­ределяется преимущественно упругими запасами разде­ляющего пласта. В этот период влияние смежного водо­носного горизонта может не учитываться, т.е. использу­ется предпосылка о неограниченной мощности разделяю­щего пласта. По мере распространения возмущения до внешней границы этого пласта все большую роль в допол­нительном питании начинает играть перетекание из смеж­ного водоносного горизонта. Таким образом, при доста­точно большом времени расчетная схема II-1 отражает одновременную сработку упругих запасов всего рассмат­риваемого комплекса взаимодействующих пластов (см. рис. 5.2).

В рамках схемы II -2 рассматривается движение в гетерогенных пластах упорядоченного (подсхема Н-2а) и неупорядоченного (подсхема II-26) строения.

Подсхема Н-2а предполагает, что опробуемый пласт сложен чередующимися слоями пород с различными фильтрационными свойствами (рис. 5.3). При этом необ­ходимо учитывать возможность перетока между слоями, обусловленного разностью напоров вдоль нормали к на­пластованию.

ВОПРОС. Почему этот фактор в случае профильно-неоднород­ного пласта имеет гораздо большее значение, чем в однородном пла­сте? Для ответа на вопрос вспомните о критериях (2.51) и рассмотри­те двухслойный пласт при резко различающихся пьезопроводностях

слоев.

Решение задач в плановой постановке для данной схе­мы может быть безоговорочно оправданным только при близких значениях проницаемостей пород отдельных слоев (аналогия со схемой однородного изотропного пла­ста) или, наоборот, при резко различных значениях про­ницаемости, допускающих расчет скоростей с использо­ванием предпосылок перетекания (см. раздел 2.3.2) (ана­логия с комплексом взаимодействующих пластов). В про­тивном случае наличие перетока между слоями и непосто­янство напора по вертикали могут быть учтены лишь в рамках профильно-двухмерных расчетных моделей. При этом расчетная схема должна удовлетворять дополни­тельным условиям, отражающим равенство напоров и расходов перетока на контактах соседних слоев и равен­ство напоров в слоях на контуре вскрывающей их сква­жины. Последнее обстоятельство подчеркнем особо: важ­ное отличие данной подсхемы от схемы пласта с перете­канием определяется характером опробования и конст­рукцией скважин (центральной и наблюдательных), до­пускающих переток вдоль ствола из одного водоносного слоя в другой.

к

UJJJJJJ.J. 11. UJJUlL

т I ⁴

о гт

ТТтУ$ГТ7ТТГ7ТПТПТГГГГг

Рис.5.3. Схема слоистого пласта

Подсхема II-26, в отличие от только что рассмотрен­ной, относится к напорным пластам неупорядоченного строения, сложенным однородными трещиновато-пори­стыми породами. При откачке из таких пластов возникает разность напоров между трещинами и пористыми блока­ми, которой и определяется скорость оттока воды из сла­бопроницаемых блоков к секущим их трещинам. Ввиду неопределенности размеров и конфигураций блоков для качественного и количественного анализа фильтрацион­ного процесса в этих условиях обычно прибегают к замене реальной неупорядоченной среды фиктивной моделью пласта упорядоченного строения. Чаще всего систему по­род с двойной емкостью принято имитировать равномер­нослоистым пластом, состоящим из чередующихся слоев проницаемых и относительно водоупорных пород (рис. 5.4). В такой постановке фильтрация по трещинам упо­добляется движению в проницаемых слоях, а фильтрация по блокам соответствует движению в пределах слабопро­ницаемых слоев, имеющих одинаковую мощность т_р = т_б. В общем случае, когда пористые блоки имеют произ­вольные размеры и форму, под т_б следует понимать их некоторый усредненный (приведенный) размер, обеспе­чивающий ту же расчетную интенсивность изменения уп­ругой емкости блоков, что и в реальном пласте.

Рис. 5.4. Схема равномернослоистого пласта

Безнапорный поток — схема III. Основной особен­ностью безнапорных потоков является наличие свобод­ной поверхности, над которой располагается капиллярная зона, причем влияние последней сказывается главным образом на динамике гравитационной емкости.

Формирование фильтрационного потока в безнапор­ных пластах существенно зависит от их строения по вер­тикали. Наиболее характерным для горизонтов грунто­вых вод является их двухслойное строение (рис. 5.5), когда верхняя часть потока представлена относительно слабопроницаемыми (покровными) отложениями (т.е. к₀ < к). В этом случае, при значительном развитии потока в плане, когда область влияния заметнопревышает мощ­ность пласта, можно использовать упрощенные представ­ления о структуре потока, основанные на предпосылках перетекания (о горизонтальной фильтрации в нижнем слое и вертикальной фильтрации в верхнем слое), и учи­тывать лишь гравитационную емкость на свободной по­верхности и упругую емкость в нижнем пласте.

/

/ / .

Рис. 5.5. Схема безнапорного двухслойного пласта:

1 - исходное положение уровней; 2 - положение свободной поверхности при откачке; 3 - напорная линия нижнего слоя при откачке

Реже в качестве расчетных принимаются схемы одно­родного и горизонтальнослоистого безнапорных потоков (см. раздел 2.5.2).

Наконец, следует заметить, что основные расчетные схемы базируются на предпосылке о сплошности среды, которая может оказаться неправомочной для крупно­блочных трещиноватых пород (см. раздел 1.2). Однако использование теории, учитывающей индивидуальные характеристики трещин, при интерпретации опытно­фильтрационных работ, как правило, не представляется возможным ввиду ограниченности исходной информа­ции.