2. На модели проводится прогнозный расчет первоочередного водоотбора;

3. назначается некоторая исходная система наблюдений в пределах зоны влияния первоочередного водоотбора — с учетом про­изводственных требований, а также общих представлений о харак­тере фильтрации, полученных при модельном прогнозе;

[~4~| результаты наблюдений за работой водозабора на первом этапе используются для решения обратной задачи и исходная модель соответственно корректируется;

|~5] намечается ряд возможных вариантов системы наблюде­ний на следующий этап работы водозабора и проводится их оценка на модели. При этом широко используется анализ чувствительности, который позволяет выявить участки, вызывающие максимальные погрешности модели, т.е. участки, требующие дополнительной ин­формации в первую очередь. В конечном итоге, из всех рассмотрен­ных вариантов выбирается оптимальный;

|~б ] полученные результаты наблюдений на втором этапе ис­пользуются для решения новой обратной задачи и т.д.

Итак, для улучшения планирования системы наблюдений целе­сообразно использовать две взаимодействующие модели - калибра­ционную и прогнозную. Калибрационная модель поэтапно подстра­ивается под объект по мере накопления новой информации (заметим вместе с тем, что расчетная модель должна быть достаточно консер­вативной, чтобы в ней на каждом этапе находили отражение как новые, так и старые данные). Такие постоянно действующие модели объекта могут рассматриваться как основные элементы АСУ режи­мом подземных вод при строительстве и эксплуатации водозаборных сооружений.

2. Методика опытно-миграционных работ1

Для конкретности рассмотрим этот вопрос на примере гидрогео­логической разведки месторождений подземных вод и твердых по­лезных ископаемых.

Опасность ухудшения качества подземных вод, отбираемых для хозяйственно-питьевого водоснабжения, или их загоязнения в райо­нах крупного горнодобывающего производства требует от гидрогео­логов проведения при разведке и эксплуатации месторождений спе­циальных исследований, дающих количественную основу для про-

Раздел написан при участии В.Г.Румынина.

гноза процессов массопереноса в водоносных комплексах (см. гл. 6). Эти исследования включают опытные индикаторные опробования пластов — опытно-миграционные работы (ОМР) и специальные - комплексные - режимные наблюдения (см. раздел 7.4) .

1. О целесообразных условиях проведения ОМР

Хотя этот вопрос уже был затронут в разделе 6.7, вернемся к нему для более детального обоснования практических выводов [21 ].

Отталкиваясь от теоретического анализа процессов массопере­носа (см. гл. 6), можно утверждать, что условия проведения и воз­можная эффективность полевых экспериментов с индикаторами рез­ко различаются в комплексах пористых Пород — с одной стороны, и существенно трещиноватых — с другой: это вытекает из различий и в емкостных свойствах, и в действительных скоростях движения, и в значимости дисперсионных эффектов (см. раздел 6.3). В частности, учитывая реальные скорости переноса и продолжительность опробо­вания (несколько суток), характерный масштаб области влияния эксперимента измеряется в пористых породах лишь первыми метра­ми, а в трещиноватых породах — десятками, а подчас и сотнями метров. Не менее важны и отличия в возможностях имитации натур­ных условий переноса в лабораторных экспериментах: для трещино­ватых пород эти возможности весьма ограничены. С другой стороны, эффективность ОМР в пористых породах часто вызывает сомнения.

В самом деле, пористым породам всегда свойственна сильно вы­раженная макронеоднородность (в частности — слоистость). Между тем, материалы изысканий обычно позволяют выделять лишь доста­точно крупные макроэлементы пласта с существенно различающи­мися литологией и фильтрационными свойствами (на основании чего и выбираются участки, а также интервалы опробования). Однако оценить макронеоднородность в пределах участках на уровне тонких слоев и прослоев чаще всего не удается: для этого, как правило, не хватает данных, получаемых традиционными методами гидрогеоло­гической разведки. Поэтому, несмотря на реальную неоднородность пласта в пределах опробуемого интервала, данные ОМР в них рас­сматриваются обычно в рамках гомогенных моделей. В результате получаемые расчетные параметры сильно зависят от характера экс­перимента, что было показано в разделе 6.7 на примере двуслойного пласта. Из этого примера можно было уяснить, в частности, почему замена слоистого пласта фиктивным однородным комплексом дает при обработке полевых экспериментов резко заниженные значения активной пористости — основного параметра, участвующего в про­гнозных расчетах. Получаемые подобным образом расчетные пока­затели не могут использоваться в прогнозных оценках — ни непос­редственно, ни в виде экстраполированных параметров: такая экс­траполяция должна учитывать масштабные эффекты, связанные с литологической и фильтрационной неоднородностью среды, а для этого опять-таки обычно нет необходимых исходных данных. Прав­да, роль масштабных эффектов можно устранить увеличением раз­меров зоны опробования, но для этого необходимы эксперименты, соизмеримые по масштабам и продолжительности с эксплуатацион­ными (прогнозными) условиями.

Тем самым вообще ставится под сомнение целесообразность про­ведения ОМР в комплексах пористых пород при массовых гидрогео­логических изысканиях — по крайней мере до тех пор, пока не будут разработаны методы эффективного расчленения разрезов опробуе­мых толщ (по литологии, а также по физическим и, в частности, фильтрационным свойствам). Этот вывод усиливается и тем обстоя­тельством, что лабораторные эксперименты дают при правильной их постановке (см. раздел 6.7) более реальные значения пористости (близкие, кстати говоря, к величине общей пористости грунтов) и могут, следовательно, считаться хорошей альтернативой для поле­вых ОМР в таких породах.

Напротив, в трещиноватых породах такой альтернативы нет. Сравнительно высокие скорости гидравлического переноса, харак­терные для опытных условий в трещиноватых и трещиновато-пори­стых породах (см. разделы 6.1 и 6.2), обычно сглаживают влияние масштабных эффектов, а для последующего описания разномасш­табных процессов (в опытных условиях, с одной стороны, и в прогноз­ных, с другой) могут использоваться идентичные, относительно не­сложные расчетные алгоритмы. Иначе говоря, достаточно масштаб­ные ОМР в трещиноватых породах реально позволяют определять миграционные параметры, которые можно использовать в последу­ющих прогнозах — либо непосредственно, либо после их расчетной экстраполяции на прогнозные условия.

Особого разговора заслуживают возможности использова­ния трассеров для повышения информативности опытно­фильтрационных работ: эти возможности могут эффективно реа­лизоваться в любых водоносных комплексах. Прежде всего, индика­торные запуски в наблюдательные скважины при фильтрационном опробовании — преимущественно на заключительных этапах кусто­вых откачек — позволяют выделить и охарактеризовать выдержан­ные по проницаемости зоны фильтрующего разреза. Заметим, что подобные эксперименты не нуждаются в специальном теоретическом обосновании: выполнение предпосылки о режиме послойного пере­носа (см. раздел 6.4.2) допускает применение простейших балансо­вых оценок, подобно примеру в разделе 6.7. Основные сложности здесь связаны с техническим оснащением опытного куста, требую­щим дифференциации содержания трассера по вертикали.

На более широкое использование индикаторов при фильтраци­онных опробованиях наталкивает и необходимость изучения проф­ильной фильтрационной анизотропии пород при гидрогеологических изысканиях-на участках возможного загрязнения подземных вод. Это предполагает проведение опытных откачек или нагнетаний по специальным схемам, обеспечивающим преимущественную фильт­рацию воды вкрест напластования. Учитывая повышенную сложно­сть интерпретации подобных экспериментов, их особенно целесооб­разно сочетать с индикаторными запусками, дающими полезную дополнительную информацию для проверки надежности расчетной фильтрационной модели.

Оставляя Далее в стороне эту важную, но мало разработанную проблему, займеМСя более детальным анализом условий индикатор­ного опробования трещиноватых пород.

2. Расчетные модели для ОМР в трещиноватых породах

Этот вопрос мы рассмотрим лишь применительно к основным схемам миграционного опробования в возмущенном фильтрацион­ном потоке (см. раздел 6.7).

Для анализа результатов опытов в чисто трещиноватых поро­дах (с пренебрежимо малой пористостью блоков) могут широко ис­пользоваться решения задачи массопереноса, полученные в рамках расчетной схемы микродисперсии (см. раздел 6.3). Особенно удобны для интерпретации эти решения при характерных числах Пекле, измеряемых, как минимум, первыми десятками, что, согласно фор­муле (6.31а), можно считать выполненным при д- > 10*20 (г —

расстояние между точками запуска и отбора трассера). Тоща, напри­мер, для интерпретации опыта по схеме с наливом в плоскорадиаль­ном потоке можно использовать простейшие одномерное решение (6.27) — после замены в нем скорости фильтрации расчетной средней величиной (согласно формуле (6.65)). Более того, для оценки важ­нейшего параметра — активной трещиноватости п можно применить элементарную балансовую формулу:

пт¹ (7.13)

где д — удельный дебит налива (д - Qjm); г — расстояние между скважинами;

t — время регистрации относительной концентра­ции с =0,5.

ВОПРОС. В чем физический смысл формулы (7.13)?

Аналогичная формула для случая пакетного запуска имеет вид:

Q ^шах

п у ,

Пг (7,13а)

где (_шах отвечает пику концентрации в наблюдательной скважине. Формулу (7.13а) можно использовать и для интерпретации опытов с откачивающей центральной скважиной, когда пакет индикатора по­дается в наблюдательную скважину.

Сложнее обстоит дело с интерпретацией дуплетного опробова­ния (см. раздел 6.7): решение соответствующей задачи массоперено- са должно учитывать, что трассер движется по траекториям разной длины (например, см. рис. 3.10,6) и в эксплуатационной скважине происходит смешение меченой жидкости с пластовой водой, не содер­жащей трассера. Решение задачи для расчетной схемы микродиспер­сии дается в виде типовых кривых, которые можно использовать для графической интерпретации опытных результатов методом подбора [21 ]. Однако из анализа графических решений следует, что чувстви­тельность опытных кривых к рассеивающим свойствам пород (пара­метру микродисперсии др, довольно низкая, и их определение мало

надежно. Кроме того, коэффициент трещиноватости достаточно уве­ренно можно рассчитать по простейшим усредняющим формулам

13. и (7.13а).

Для описания миграции химического индикатора при опробова­нии трещиновато-пористых пород по схеме с наливом используют аналог решения Ловерье (6.47) для плоскорадиальной миграции:

с=Т(1,^)=егГс£, (7.14)

где

f. _ S₆ ^П_м п₀ t₀ _JC(r²—r_c )

* 2nVF^r^{; 0} я

(r_c— радиус инъекционной скважины, S₆ — удельная поверхность пористых блоков), справедливого в рамках предпосылок о неограни­ченной емкости пористых блоков (см. раздел 6.7) и о поршневом вытеснении трассера по трещинам. Однако последнее допущение, исключающее израссмотрения продольную дисперсионную состав­ляющую массового потока по трещинам, может оказаться для трещи­новатых пород слишком грубым. Анализ, основанный на сопоставле­нии формулы (7.14) с точным решением [21 ], показывает, что в меньшей степени гидродисперсия влияет на характер выходных кри­вых в трещиновато-пористых пластах с высокими массообменными параметрами (5_б²£_Лл₀> 10 сут ): здесь выполнение обязательного условия сплошности среды в зоне опробования (см. раздел 7.3.3) обычно обеспечивает и необходимый уровень надежности при интер­претации результатов на основе решения (7.14) — по крайней мере, если ориентироваться на участки индикаторных графиков, ще отно­сительная концентрация с превышает 20% от максимальной. По мере снижения интенсивности массообмена между трещинами и бло­ками решение Ловерье дает все большие погрешности (за счет пре­небрежения гидродисперсионной составляющей переноса по трещи­нам), и для обоснованного применения формулы (7.14) масштабы опробования (расстояния между скважинами) должны удовлетво­рять уже более жесткому условию:

r²s} Z) п,

(7.15)

б “м ^п0 _> J

дп

При экспериментах по дуплетной схеме повышенные скорости фильтрации требуют увеличения минимального масштаба опробова­ния примерно в два раза по сравнению с величиной, разрешенной критерием (7.15).

Обработка выходной кривой для опытов с наливом индикатора осуществляется путем нанесения опытных точек на график в коор­динатах f ~^-t_y что позволяет линеаризовать зависимость (7.14). От­сюда нетрудно по точке пересечения прямой с осью времени t_p опре­делить активную трещиноватость:

(7.16)

а по углу наклона прямой к оси времени <р— комплексный параметр массообмена:

Результаты дуплетных опытов можно интерпретировать при по­мощи специальных типовых графиков. Для ориентировочных оце­нок, применительно к солевому индикатору, типовой график доста­точно хорошо аппроксимируется формулой [21 ]

? = 0,5fe-|«4^4:,

2

^<с'¹’ (7.19)

ще t_Q = t^nlq, а относительная концентрация с должна находиться в диапазоне от 0,1 до 0,5. При использовании формулы (7.18) сначала во времени t - i , отвечающему концентрации с ■ 0,5, определяют параметр массообмена

/ \ £

■Sl-Од, «о =0,04

Г

\ /

а затем по более ранним участкам выходной кривой из формулы (7.18) находят активную трещиноватость п.

Нужно заметить, что непосредственная интерпретация опытных данных на основе рекомендованных решений не всегда обеспечивает удовлетворительную точность расчетных миграционных парамет­ров, так как в этих решениях не учитывается емкость наблюдатель­ной скважины. Пренебрежение же разбавлением индикатора в сква­жине, наряду с кольматацией ее прифильтровой зоны, приводит к тому, что в процессе опыта концентрация индикатора в пласте (не­посредственно на внешней стенке скважины) отличается от замеря­емой. Период времени, в течение которого отмечается подобное не­соответствие, подчас соизмерим с длительностью самого опыта. Этот эффект получил название гидрохимической инерционности на­блюдательных скважин. Его характерным показателем может слу-

пй_с

жить безразмерный параметр инерционности а = ще d_c —-

диаметр пьезометра; £ — показатель искажения фильтрационного потока вблизи скважины (см. раздел 6.1.4), который отражает соот­ношение между емкостными характеристиками скважины и опробу­емой части пласта: чем ниже значение параметра а, т.е. чем меньше диаметр наблюдательной скважины d_c (при минимальной степени ее кольматации £) и длиннее путь г миграции индикатора в водоносном горизонте, тем точнее скважина регистрирует изменения концентра­ции индикатора в ходе эксперимента. Как показывают расчеты, учи­тывающие влияние емкости скважины [21 ], при опытах в чисто трещиноватых породах роль ее обычно слишком велика, чтобы эф­фектом гидрохимической инерционности можно было пренебречь. Объясняется это малой емкостью самих опробуемых пород. Соответ­ственно, в трещиновато-пористых породах роль данного фактора обычно заметно слабее. В общем же надежная оценка пригодности наблюдательных скважин конкретного куста для контроля трассера, а также определение поправок на инерционность опытной системы

требуют специальных градуировочных процедур [21 ]. Проще всего для этого можно использовать резистивиметрию наблюдательной скважины, запуская в нее индикатор до начала основного экспери­мента, но после стабилизации возмущенного при наливе фильтраци­онного потока. Так как скорость фильтрации на участке расположе­ния пьезометра в этом варианте известна [v=ql (2Л г) ], то основная формула резистивиметрии (6.12) может быть переписана в виде

(7.20)

где слева стоит выражение показателя гидрохимической инерцион­ности CL Неизвестное значение активной трещиноватости в правой части формулы (7.20) принимается, в первом приближении, по ана­логии, а затем — по данным основного этапа индикаторного опыта.

Естественно, что в экспериментах с откачивающей скважиной (в частности, при дуплетном опробовании) необходимость в подо­бной градуировке отпадает.