6,7. Опытные гидрогеологические работы. Бурение и оборудование гидрогеологических скважин различного назначения. Оборудование и использование, состав работ и наблюдений.

Существуют след категории ГГ скважин: 1) картировочные (поисково-картировочные); 2) разведочные; 3) разведочно-эксплуатационные; 4) эксплуатационные; 5) опытные; 6) наблюдательные; 7) режимные.

1) Наиболее массовые скважины, их бурение проводится на стадии ГГ съемки. Если производится поиск МПВ, то эти скважины рассматриваются как поисково-картировочные. Нужны для изучения ГГ разреза (по керну или шламу, а также каротажу), раздельного опробования всех водоносных горизонтов (опред. уровень, температура, хим анализ, пробная откачка), вскрытых при бурении.

2) Разведочные – ориентированы на изучение конкретного горизонта, предполагаемая перспективность которого установлена на стадии поисков. Конструкция скважины должна обеспечивать надежную изоляцию изучаемого интервала и возможность проведения необходимого комплекса испытаний (откачки, наливы, нагнетания, термометрия, расходометрия, отбор проб горных пород, воды и газа и др)

3) Если после проведения испытаний, разведочную скважину планируется передать в эксплуатацию, то она относится к категории разведочно-эксплуатационных и к её конструкции предъявляются соответствующие требования.

4) Эксплуатационные – всегда бурятся на продуктивный водоносный горизонт, разведочные исследования которого в необходимом объеме выполнены на предыдущих стадиях. Скважина должна обеспечивать нормальную многолетнюю эксплуатацию с проектными величинами дебита и сохранением соответствующего состава и качества воды. Поэтому необходимо ставить фильтр соответствующей конструкции, а сама скважина должна иметь диаметр, достаточный для установки водоподъемного устройства (насоса) соответствующего типа.

5) В качестве опытных используются как специально пробуренные скважины, так и скважины других типов (1-7). Их конструкция должна обеспечить выполнение полного комплекса необходимых опробований.

6) наблюдательные – оборудуются в комплексе с опытными (кусты скважин) для фиксирования изменений характеристик подземных вод (уровни, минерализация и др.). Они проходятся обычно малым диаметром и имеют простую конструкцию, поскольку в них чаще всего производятся только замеры уровней и отбор проб воды на анализ. В ряде случаев (например при оценке миграционных параметров в сложных условиях) в набл скв предусматривается проведение более сложных исследований (кавернометрия, расходометрия, каротаж …)

7) Для проведения систематических наблюдений за изменением характеристик пв во времени (уровни, t, химия). Чаще используются скважины типов 1-6, изредка оборудуются для этого специальные скважины.

Основные эл-ты конструции ГГ скважин: водоподъемная колонна необходимого диаметра, фильтр (фильтровая колонна с отстойником), элементы конструкции, обеспечивающие изоляцию опробуемого интервала (водоносного горизонта) от смежных водоносных горизонтов – это обсадные трубы с затрубной цементацией и сальник (тампон), который устанавливается между фильтром и внешней обсадной колонной. Диаметр эксплуатационной скважины должен обеспечивать возможность использования испытательного и водоподъемного оборудования.

Фильтры – предохраняют стенки испытуемого интервала от обрушения и обеспечивают хорошую гидравлическую связь водоносного горизонта и столба воды в скв. При необходимости раздельного опробования нескольких горизонтов осуществляется последовательная изоляция уже опробованных интервалов. При этом для изоляции используются специальные сальники и тампоны (пакеры) нажимного или пневматического действия.

Опытные работы:

1. опытные наливы в шурфы – определение фильтрационных свойств зоны аэрации при залегании ГВ на глубине более 4-5 м.

2. откачки из скважин – наиболее массовый вид ОФР. Бывают опытные, пробные и опытно-эксплуатационные. Пробные – 6-10 часов. Опытные – основной метод оценки фильтр параметров водоносного гор-та. Бывают одиночные и кустовые. Кустовые проводятся в течение 10-15 сут и более, как правило при двух-трех понижениях уровня. После завершения откачки проводятся наблюдения за восстановлением уровня.

Опытно-эксплуатационные проводятся на стадии детальной разведки месторождения со сложными условиями. Этот вид опытных работ является методом оценки эксплуатационных запасов пв в условиях, когда обоснование расчетной фильтрационной схемы для использования аналитических методов оценки запасов или моделирования представляет значительные трудности. Длительность – 1-3 мес, иногда более года.

3. Опытные наливы и нагнетания – проводятся с целью определения удельных поглощений и фильтрационных свойств как ненасыщенных, так и водоносных пород. При наливе поддерживается свободный уровень воды, а при нагнетании фильтрация осуществляется при избыточном напоре над верхней границей опробуемого интервала. Определяемая величина удельного водопоглощения равна расходу на 1 м длины опробуемого интервала при напоре, равном 1 м.

4. Индикаторные методы – для определения действительной скорости движения и параметров миграции подземных вод. В опытную скважину производится запуск индикатора – трассера, а в наблюдательных фиксируется появление трассера через определенное время t.

5. Расходометрия – метод определения и анализа профиля расхода вертикального потока по стволу скважины в естественных условиях, а также при производстве откачки или налива с целью изучения вертикальной фильтрационной неоднородности водоносного горизонта. Оценку расхода вертикального потока в стволе скважины производят расходомером. Скорости вертикального потока определяют по тарировочным кривым. Оценка проводимости выделенных водоносных слоев проводится из отношения суммарного значения проводимости пласта, определенного другими методами, к суммарному расходу вертикального потока в стволе скважины и значения расхода по конкретному водоносному слою.

8 вопрос: Основной закон фильтрации (Дарси)

Устанавливает связь между потерями напора и скоростями фильтрации.

Q=k*w*I (Q – расход потока, k – коэффициент фильтрации, w – площадь поперечного сечения, I – градиент напора, I= ΔH/l, где l – длина пути фильтрации)

Потеря напора выражается через градиент скорости фильтрации, являющийся мерой расхода потока, отнесенной к единице площади (коэффициент пропорциональности есть коэффициент фильтрации).

Коэффициент фильтрации зависит от:

- гидродинамической характеристики воды

- строения порово-трещинной среды

Ж. Дюпюи ввел понятие скорости фильтрации (v). v=Q/w.

Таким образом, закон Дарси преобразуется в: v=k*I

V имеет размерность скорости, однако по существу является мерой расхода фильтрационного потока и отличается от действительной скорости фильтрации (u), потому что при ее определении в расчет принимается вся площадь поперечного сечения, а не площадь порового пространства. Действительная скорость фильтрации обратно пропорциональна активной пористости (n_a), т.е. тем пустотам, которые отвечают за движение воды). n_a=Va/v г.п. (где Va – объем активных пор, а v г.п. – общий объем горной породы). Таким образом, действительная скорость фильтрации u=Q/wn_a

Нарушения закона Дарси

Закон Дарси имеет широкую область применения и является основным законом фильтрации. Однако существуют условия, при которых он нарушается.

1. Верхняя граница применимости закона Дарси

Проявляется при больших скоростях фильтраций. В таких условиях появляется турбулентное течение в отдельных типах горных пород, существенно влияют инерционные и пульсационные силы. Они оказываются пропорциональными квадрату скорости фильтрации. Таким образом, при верхней границей применимости з-на Д. в потоке наряду с действием сил вязкого трения, которые в соответствии с з-ном Ньютона должны быть пропорциональны скорости течения, заметно влияют инерционно-пульсационные силы, имеющие квадратичную зависимость от скорости течения.

Значит, при больших скоростях течения достоверна двучленная зависимость вида:

I= a*v +b*v²

, где a*v представляет собой линейный член (определяется коэффициентом фильтрации к, а=1/к),а b*v² – квадратичный.

Полученную зависимость удобнее представить в виде:

I= (1+α_н*v)

2 параметра характеризуют независимо:

1 – к – характеризует линейную часть, соответствует ламинарному течению

2 - α_н – параметр нелинейности, характеризует квадратичную часть

Двучленная зависимость универсальна, поскольку она охватывает предельные условия: наступление ламинарного режима при при малых скоростях фильтрации (когда квадратичный член становится пренебрежимо малым по сравнению с линейным), и турбулентного режима (когда линейным членом можно пренебречь).

Связь α_н с к: α_н=1/2* (v – это «ню», коэффициент кинематической вязкости)

Границей применения закона Дарси будет такая граница, при которой:

α_н*v_кр =ε

v_кр- критическая скорость фильтрации

ε - допустимая погрешность расчетов

Закон Дарси работает при ε>1.

Критическая скорость определяется соотношением: v_кр = ε/ α_н=2 ε .

2. Нижняя граница применимости закона Дарси

Возникает при проявлении вязкопластичного течения (когда начинают действовать силы молекулярного притяжения).

Так же возможна такая ситуация, при которой прекращается вязкое течение и остается лишь пластичное.

Характеризуется величиной начального градиента I₀.

В таких условиях из всех сил наибольшее влияние на поток производит начальное сопротивление сдвигу (τ₀). Для оценки этой величины применияется модель пучка извилистых капилляров.

I₀= = * , где

Χ – коэффициент извилистости (для линейного потока не учитывается)

ϒ – объемный вес воды (ϒ=рв*g)

Rt – радиус труб. Неудобная величина, потому используется с помощью коэффициента фильтрации: Х* Rt =