В. А. Мироненко динамика ползших поп московский

Специфика геофильтрационных процессов в различных типовых условиях проведения опытных опробований

В данном разделе мы проиллюстрируем, в основном на примере опытных откачек, специфику геофильтраци­онных процессов, сопутствующих ОФР в различных ти­повых (см. раздел 5.2) ситуациях. Так как эта специфика приводит, в конечном счете, к существенным вариациям привычных для нас модельных и аналитических представ­лений (в частности, к нередкому несоответствию резуль­татов откачки формуле Тейса, вытекающей из этих пред­ставлений) , то изложение материала будет постоянно ил­люстрироваться характерными отклонениями индикатор­ных графиков откачки S(lnt) от простейшей прямолиней­ной зависимости (см. раздел 5.1), отвечающей логариф­мической аппроксимации формулы Тейса. Заметим, что пока мы оставим в стороне роль тех или иных технических факторов (этому вопросу посвящен раздел 5.4), считая здесь, что они не вносят дополнительных искажений в ход интерпретации эксперимента. В частности, пока предпо­лагается, что все опытные скважины совершенны по сте­пени и характеру вскрытия и обеспечивают безупречную точность замеров. Кроме того, считается, что наблюда­тельные скважины расподагаются (на рассматриваемые моменты времени) в зоне квазистационарного режима,

для которой формула Тейса представляется логарифми­ческой аппроксимацией (см. рис. 5.1).
Так как формула Тейса выведена для случая изолиро­ванного однородного напорного пласта (схема I), то есте­ственно рассмотреть возможности каких-то отклонений от нее на примерах других типовых схем, предложенных в разделе 5.2.

1. 
   Схема II-1 - пласт с перетеканием
   

На рис. 5.2 откачка ведется из нижнего (однородного напорного) пласта, отделенного от вышележащего водо­носного горизонта слоем слабопроницаемых пород. На первом этапе откачки вода в скважину поступает только за счет упругих запасов нижнего пласта, и индикаторный график (рис. 5.6) отвечает формуле Тейса, т.е. он прямо­линеен (участок 1). Появление разности напоров между водоносными горизонтами приводит к возникновению вертикальных перетоков через разделяющий слой, сум­марный расход которых постепенно возрастает по мере увеличения площади пьезометрической воронки и разни­цы в напорах. Появление
О
ii U 11

	V	--	_		Г + - 1		—	—-
	S				1
		\	i		1
					1
					1 1
—	—		—	\г	t L_	Ъ5‘	.За	—
								V

этого нового источника питания, компенсирую­щего все большую долю отбираемого расхода, за­медляет понижение в ос­новном пласте — по срав­нению со случаем изоли­рованного пласта. Кривая понижения отклоняется от прямой Тейса (участок 2).
Далее существуют две крайних возможности. Первая из них реализует­ся в том случае, когда рас­тре. 5.6. Типовые индикаторные ход перетекания весьма графики откачкипри наличии пе- мал ПО сравнению С запа- ретекания сами воды верхнего пла­
ста, т.е. когда уровни в
нем остаются практически неизменными в процессе от­качки. Тогда расход перетекания постепенно возрастает до величины, равной фиксированному расходу скважины Q_c, после чего понижение в основном пласте прекращает­ся (горизонтальный участок За на графике). Другая пре­дельная ситуация достигается при не слишком большой «производительности» верхнего пласта: тогда по мере пе­ретекания в нем также развивается своя пьезометриче­ская воронка, темп снижения напоров в нем постепенно сравнивается со скоростью понижения в нижнем пласте и, в конечном счете, ооа пласта работают как единая система с суммарной проводимостью (Т^ * Т + Т') и общей
упругой водоотдачей (ju*_yM =ju* +'р ' ) — участок 36 на
графике.
Понятно, что и промежуточный 2, и конечные участки индикаторного графика относятся к иным физическим ситуациям, нежели участок 1. В частности, участок Зб отвечает прямой с константами А и В (формулы (5.1) и

2. 
   ), выражающимися через суммарные параметры Т
   

и /и*_ум, а участки 2 и За вообще не могут быть описаны
формулой Тейса: так, значение понижения S_3a на участке За соответствует полученной нами ранее стационарной зависимости (3.40).
На деле фильтрационный процесс при откачке обычно дополнительно усложняется благодаря включению еще одного, пока упущенного нами из рассмотрения источни­ка питания - упругих запасов воды в разделяющем слое. После первого этапа снижения напоров в основном пласте вызванное этим возмущение начинает постепенно рас­пространяться вверх по мощности разделяющего слоя: напоры в нем снижаются, эффективные напряжения рас­тут, и «лишняя» вода отжимается из пор в сторону мень­ших напоров, т.е. в основной пласт. Появление нового источника воды приводит к некоторому выполаживанию опытной кривой — качественно подобному участку 2 на рис. 5.6. Обратим, однако, внимание на то, что перетека­ние из верхнего водоносного пласта начнется лишь когда возмущение из верхнего водоносного пласта распростра­нится до верхней границы разделяющего слоя. Согласно формуле (4.18), это произойдет через интервал времени порядка
_t -
2 * >
(5.3)
который для ряда вполне характерных значений коэффи­циента пьезопроводности разделяющего слоя а_р (порядка

1. 
   5-10 м²/сут) может измеряться сутками. Следовательно, не исключается возможность, что практически весь рас­ход откачки будет со временем покрываться за счет воды разделяющего слоя. Как следует из решения соответству­ющей фильтрационной задачи [23], это произойдет по прошествии времени t_i' (при условии t_x' < t₂), имеющего
   

порядок
*²
К % (5.4)
где к. я г/* — коэффициенты фильтрации и упругоемкос- ти пород разделяющего слоя;
ц* — водоотдача основного пласта.
При этом на индикаторном графике возникнет прямо­линейный участок (вместо участка 2 на рис. 5.6), угол наклона которого, однако, ровно в два раза меньше, чем у участка 1. Дальнейшее развитие процесса примерно отвечает приведенному ранее описанию для случая пере­текания из смежного водоносного пласта.
ЗАДАЧА. Подумайте, к каким последствиям — с точки зрения надежности определения искомых фильтрационных параметров — могут привести следующие (кстати, вполне реальные) опытные си­туации: 1) участок 1 на графике (см. рис. 5.6) не выражен (измерения напоров на первом этапе откачки отсутствуют), а участок 2 аппрок­симируется прямой линией и обрабатывается стандартным способом (см. рис. 5.1); 2) участок графика в интервале t_}< t_]^> обрабатыва­ется способом прямой; 3) откачка, проводившаяся с целью количест­венной оценки возможных процессов перетекания, закончилась за время t_k < t_r

2. 
   Схема II-2 - напорный гетерогенный пласт
   

Частный случай слоистого пласта (подсхема II-2а), вскрытого опытными скважинами на полную мощность, отражен на рис. 5.7. Пусть верхний слой (1) имеет коэф­фициент пьезопроводности а* на один-два порядка мень- ший, чем нижний (2) а₂. Тонкий разделяющий слой будем
ВОПРОС. Что будет происходить в наблюдательной скважине, вскрывшей оба слоя? (см. рис. 5.7).

О
Рис. 5.7. Схема двухпластовой системы
f Д iSj - дополнительное понижение напора в верхнем пласте; - дополнитель­
ное повышение напора в нижнем пласте; - наблюдаемое понижение)
н
для простоты считать водоупором. При откачке из такого пласта, ввиду большей скорости распространения возму­щения по нижнему слою, понижение в нем будет идти заметно быстрее, чем в верхнем. Между слоями возника­ет, таким образом, перепад напоров, и движение в пласте, рассматриваемом как единый водоносный горизонт, не отвачает основной предпосылке плановой фильтрации. То же произойдет и при отсутствии водоупорного про­слоя, с одной лишь разницей — перепад напоров между слоями будет постепенно сглаживаться за счет перетока воды из нижнего слоя в верхний.

На рис. 5.8 даны индикаторные графики приведенных пониже- ний S, построенные для следующих условий: = 10 м /сут, = 100
м²/сут, Tj/(Tj+Т₂) =0,9. Из графиков следует, что наблюдательные скважины, пройденные по отдельности на верхний и нижний слои, фиксируют резко различные уровни. Вместе с тем видно, что через некоторое время после начала опыта уклоны графиков различаются не слишком сильно — как между собой, так и с индикаторным гра­фиком для наблюдательной скважины, вскрывшей оба слоя. Это на­талкивает на мысль о том, что упомянутый характерный уклон гра­фиков отвечает какой-то реальной физической константе системы. В соответствии с выражением (5.1), она, вероятнее всего, связана с суммарной проводимостью пласта. Этот вывод подтверждается и аналитическим решением данной задачи [23 ], из которого следует, что для зоны квазистационарного режима, т.е. в данном случае — по прошествии времени порядка (см. условие (4.29)):
‘1 *
^а1 (5.5)
уклон индикаторного графика для наблюдательной скважины, пол­ностью вскрывшей пласт, определяется формулой (5.1) при Т- Tj + Т₂. расчетный коэффициент пьезопроводности такой системы отве­чает усредненной величине а^_м = а*^т\ .
Физически это означает, что по мере откачки проис­ходит постепенное перераспределение откачиваемого расхода Q_c в соответствии с проводимостями слоев, а раз­личие напоров по вертикали учитывается за счет перетока воды вдоль ствола наблюдательнойскважины. Иными словами, и центральная, и наблюдательная скважины ре­гулируют процесс таким образом, что его замеряемые усредненные характеристики удовлетворяют соответст­вующим закономерностям плановой фильтрации в одно­родном напорном пласте с некоторыми обобщенными па­раметрами (см. расчетные кривые 2 на рис. 5.8).
Откачку из пласта гетерогенных пород (подсхема

11. 
    26) рассмотрим на примере напорного водоносно­го горизонта, сложенного однородными трещиновато­пористыми породами. В первые моменты откачки в сква­жину поступает только вода из трещин — основных водопроводящих элементов системы.
    

-2 -i 0 J 2, £gt
EE3 i EE3 2 EEJ <5 ЕЕЭ 4
/^Jwc. 5.8. Расчетные графики приведенных понижений для двухслой­ной системы:
1 - в совершенном пьезометре, вскрывающем оба водоносных слоя; 2 - рассчитанное по усредненным параметрам; 3 - в нижнем пласте; 4 - в верхнем пласте
На индикаторном графике (рис. 5.9) фиксируется на­чальный участок 1, отвечающий проводимости пласта по основным фильтрующим трещинам и их упругой водоот­даче. Последняя величина весьма мала — и ввиду слабой сжимаемости трещинного пространства, и вследствие ма­лого относительного объема трещин (см. раздел 1.4). По­этому уже через очень короткое время t_Jt часто измеряе­мое секундами, начинает постепенно проявляться упру­гая водоотдача пористых блоков (участок 2 на рис. 5.9): под влиянием разности на­поров в трещинах (где в ре­зультате откачки произош­ло понижение гидростати­ческого давления) и в бло­ках (где давление в первое время остается неизмен­ным) начинается поступле­ние воды из блоков к окон- туривающим их трещинам. Рис. 5.9. Типовой индикаторный Наконец, когда темп сниже-

график откачки из пласта по- _ния напоров в блоках и тре- род с двойной емкостью
щинах выравнивается, они начинают работать как единая система с суммарной про­водимостью трещин и блоков (эта величина обычно близ­ка к проводимости трещинного пространства) и с суммар­ной же упругой водоотдачей (которая обычно близка к упругой водоотдаче блоков). На индикаторном графике фиксируется конечной прямолинейный участок 3, отве­чающий решению Тейса при упомянутых суммарных па­раметрах. Время t₂, называемое в этом случае характер­ным временем запаздывания, зависит, очевидно, от
средних размерово блоков т_б и их пьезопроводносги а_ь :
ч (5.6)
Как нетрудно убедиться прямым расчетом, в зависи-
мости от значений т_б и а_б время запаздывания может
меняться в широком диапазоне - от нескольких минут до десятков суток.
Кстати, в приведенном описании легко усмотреть па­раллель между данной схемой и рассмотренной выше мо­делью пласта, учитывающей упругие запасы воды в раз­деляющем слое (схема II-1). Именно поэтому пласт тре­щиновато-пористых пород принято имитировать услов­ной моделью равномерно слоистого пласта (см. рис. 5.4).
ВОПРОСЫ. 1. Чем определяются различия в уклонах индика­торного графика на участках 1 и 3? 2. Как будет выглядеть индика­торный график при отсутствии замеров на самых первых этапах откачки? 3. Каковы будут результаты интерпретации откачки, если участок 1 на графике будет Пропущен, а конечное время опыта мень­ше характерного времени запаздывания? 4. В чем можно усмотреть сходство (с позиций опытных работ) между комплексом трещинова­тых пород, в котором проводимость определяется главным образом параллельно расположенными маломощными зонами с повышенной трещиноватостью, и слоистым пластом с разделяющими водоупор­ными прослоями (подсхема Н-2а)?

3. 
   Схема III-1 безнапорный пласт двухслойного строения
   

Первый этап откачки воды скважиной, оборудован­ной фильтром на нижний песчаный слой (см. рис. 5.5),
сопровождается сработкой его упругих запасов ju* и пони­жением напоров S в нем — слой работает как изолиро­ванный напорный горизонт, отдающий с единицы площа­ди пласта расход воды е_у = /и* “• (участок 1 на рис. 5.10);
суглинки ввиду их слабой проницаемости на откачку пока практически не реагируют.
Продолжительность этого этапа t₁ обычно невелика и измеряется минутами. Возникший на данном этапе пере­пад напоров между слоями приводит к нисходящей, прак­тически вертикальной фильтрации воды из суглинков в пески, сопровождаемой постепенным подключением но­вого источника питания — гравитационной водоотдачи суглинков /г и снижением S' депрессионной кривой (уча­сток 2 на рис. 5.10).
ЗАДАЧИ. 1. Пользуясь условием (2.47) на границе песков и суглинков, составьте для себя качественные представления о траек­ториях перемещения воды вблизи этого контакта. 2. Изобразите гра­фически характер изменения напоров в произвольном вертикальном