Как правильно обработать откачку? Главные индикаторные признаки на графике временного прослеживания при выполнении опытно-фильтрационных опробований.

Опытно-фильтрационные опробования водоносных пластов являются основным и, пожалуй, самым достоверным методом получения информации о фильтрационных свойствах геологической среды. Каждый специалист знает, что от правильной схематизации гидрогеологических условий и выбора аналитического решения для обработки откачки зависит конечный результат. Именно поэтому важно не ошибиться в выборе на самом первом этапе, еще до начала обработки откачки. Иногда сделать это непросто ввиду недостаточности имеющейся геологической информации. Однако многие гидрогеологи забывают, что один только вид кривой графика понижений при откачке во многих случаях может дать нам гораздо больше информации о структуре потока и гидрогеологических условиях участка, нежели бурение дополнительных геологических скважин.

Анализ кривых изменения уровня, как правило, проводится на графике s – lg(t). Существует несколько специфических признаков, которые проявляют себя в логарифмических, линейных или в степенных координатах времени. Помимо стандартного временного прослеживания, полезно анализировать графики изменения скорости понижений за равные промежутки логарифма времени ds / dlnt – lgt – так называемый деривативный анализ. Рассмотрим наиболее очевидные и применимые в повседневной практике диагностические признаки.

1. Диагностические признаки напорного пласта и влияние емкости скважины

Напорный горизонт – это пласт, ограниченный сверху и снизу абсолютными водоупорами. При этом его пьезометрическая поверхность расположена выше верхнего контакта с водоупором (рис. 1). При проведении откачки с постоянным расходом из напорного неограниченного пласта можем увидеть характерный диагностический признак – это прямая линия на графике s – lg(t) (рис. 2а). Прямая линия отвечает квазистационарному режиму фильтрации, т.е. снижение уровней идет с одинаковой скоростью в логарифмическом масштабе времени. Угол наклона прямой используется для расчета проводимости пласта, а отсечение этой прямой на оси понижений позволяет получить водоотдачу или пьезопроводность пласта. На деривативном графике квазистационарный режим фильтрации должен отобразиться в виде строго горизонтальной прямой (рис. 2б). Если горизонтального участка нет, значит режим фильтрации еще не вышел на квазистационар, либо на понижение в скважине начинают оказывать влияние другие факторы, такие как: границы фильтрационного потока, взаимодействие смежных пластов и пр.

При откачке из скважин большого диаметра часто можно столкнуться с влиянием емкости скважины на изменение уровня. Оно проявляется на первых моментах времени, когда вода поступает не только из пласта, но также и из ствола скважины. Это приводит к некоторому запозданию роста понижений в пласте по сравнению с классической моделью Тейса (рис. 3а). Деривативные кривые позволяют однозначно определить период влияния емкости скважины. Индикаторным признаком является образование характерного экстремума в начальные моменты времени (рис. 3б).

Предельным случаем является вариант, когда фильтр скважины полностью закольматирован и не пропускает воду. При этом откачка осуществляется исключительно за счет объема воды, заключенного в стволе скважины. Индикатором подобной ситуации является прямая линия (выходящая из начала координат) на графике понижения в линейных временных координатах s – t, т.е. понижение прямо пропорционально времени откачки (рис. 4).

2. Индикаторы проявления плановых границ фильтрационного потока

Довольно часто на практике приходится сталкиваться с тем, что на изменение уровня в скважине оказывают влияние плановые границы. Это могут быть как непроницаемые границы, например, разлом, так и река (будем отождествлять её с границей постоянного напора). Граница может быть, как одна так и несколько (рис. 5). Рассмотрим более подробно каждую ситуацию в отдельности.

2.1. Одна плановая граница

Если проводить откачку около непроницаемой границы в напорном пласте, то на начальных этапах времени понижение в скважине ничем не будет отличаться от откачки в неограниченном пласте, т.е. на графике s – lg(t) обнаружится прямолинейный участок. Однако в определенный момент времени можно зафиксировать рост скорости понижений и изменение в два раза угла наклона кривой. Так, при откачке около непроницаемой границы на графике понижений можно выделить 2 прямолинейных участка (рис. 6а). Деривативные кривые также будут иметь два характерных горизонтальных участка, причем второй индикаторный участок для всех скважин будет сливаться в одну горизонтальную линию (рис. 6б).

В случае, если плановой границей потока является река, первый участок кривой остается прямолинейным, как и с непроницаемой границей. Однако спустя некоторое время после начала откачки происходит постепенная стабилизация уровней воды и понижение в скважине перестает расти за счет привлечения воды из реки (рис. 7а).

Здесь, можно отметить, что при расположении скважин вблизи границы первый прямолинейный участок может отсутствовать.

Вид графика понижений в координатах s – lg(t) для откачки около реки и из слоистой толщи бывает очень схожим. В одном случае стабилизация уровня происходит за счет поступления воды из реки, в другом за счет перетекания из смежного горизонта. Однако, деривативные кривые позволяют достаточно однозначно диагностировать источник дополнительного питания. В случае с перетеканием деривативная кривая будет иметь симметричную форму, а при наличии реки форма деривативной кривой будет ассиметричной с прямолинейным отрезком на конечном этапе откачки (рис. 7б). Также отметим, что деривативные кривые по различным наблюдательным скважинам, в случае границы с постоянным напором, не совпадают – нисходящие ветви идут параллельно (рис. 7б) друг другу, в отличие от условий перетекания (рис. 13б).

2.2. Две плановые границы (пласт-полоса)

Рассмотрим наиболее распространенный случай, когда границы фильтрационного потока ориентированы параллельно друг другу и образуют так называемую пласт-полосу. Причем комбинация границ может быть различная. Например, две параллельные непроницаемые границы будут являться аналогом откачки в условиях погребенной палеодолины, или же в талике многолетне-мерзлых пород. Схема с двумя границами постоянных напоров ассоциируется с откачкой в междуречье. Одновременное наличие непроницаемой границы и границы постоянного напора может соответствовать условиям откачки около реки с непроницаемым разломом.

При откачке с двумя непроницаемыми границами на графике s – lg(t) фиксируется постоянный рост скорости понижения, т.е. наклон кривой постоянно увеличивается (рис. 8а). Чтобы однозначно диагностировать пласт-полосу с двумя непроницаемыми границами, необходимо построить график понижений в координатах s – t1/2 или посмотреть на деривативную кривую lg [ds /dlnt] – lgt (рис. 8б, с). На этих графиках будет отчетливо выделяться прямая линия. Также стоит обратить внимание, что на деривативном графике все кривые по наблюдательным скважинам объединяются в единую наклонную прямую линию (рис. 8б).

В случае, если пласт-полоса имеет границу/границы с постоянным напором, то на графике временного прослеживания с определенного момента наблюдается стабилизация понижений, что обусловлено питанием горизонта из реки (рис. 9). Данный график по внешнему виду подобен графику для полуограниченного пласта с границей постоянного напора.

3. Откачка из безнапорного пласта

Безнапорный водоносный горизонт – это пласт, подстилаемый водоупором и ограниченный сверху свободной депрессионной поверхностью (рис. 10)
Классический график понижения уровней в безнапорном пласте имеет три участка: 1 – прямая, отвечает упругому режиму фильтрации; 2 – горизонтальная линия, отвечает ложностационарному режиму, когда понижение в водоносном горизонте временно стабилизируются за счет дополнительного вертикального притока; 3 – прямая линия, которая характеризует гравитационный режим работы водоносного горизонта. Отметим, что углы наклона 1 и 3 участка на графике s – lg(t) должны быть близки (рис. 11 а). На деривативной кривой ложностационарный период имеет точку минимума. Как правило, этот период в безнапорных пластах начинает проявляться на малых временах. Также диагностическим признаком безнапорного пласта является то, что максимумы деривативной кривой лежат практически на одной горизонтальной плоскости (рис. 11б), при условии наличия квазистационара на первом участке индикаторной кривой.

4. Индикаторные признаки перетекания в слоистых водоносных горизонтах

При откачке из слоистых водоносных горизонтов отдельные интервалы могут взаимодействовать друг с другом. Это взаимодействие выражается в виде поступления дополнительного питания из смежных горизонтов; его интенсивность характеризуется параметром перетекания (B). Схема откачки из слоистой системы приведена на рис 12.

На практике выделяют два типовых случая, 1) когда уровень в смежном пласте остается постоянным во время откачки и 2) когда уровень в смежном пласте изменяется вслед за уровнем в основном пласте. Первый случай характерен при наличии значительных запасов в смежном пласте, например, если смежный горизонт – это безнапорный пласт, или в нем имеется хорошая связь с рекой.

Эффект перетекания ярко проявляется на графике понижения s – lg(t) в виде стабилизации уровня. В случае, если уровень в смежном пласте не меняется при откачке, то график понижения выходит на горизонтальную прямую линию (рис. 13а). Такой график можно легко спутать с графиком откачки около реки, однако анализ деривативных кривых позволяет различить эффект перетекания от действия реки (см. 2.1). Дополнительным индикаторным признаком перетекания может служить то, что положение правых частей деривативных кривых для различных скважин должны объединяться в единую линию (рис. 13б) – сравни с рис. 7.

Если при откачке из основного пласта фиксируется понижение в смежном, то график понижения в основном пласте будет состоять из трех участков: 1 – прямая линия, отвечающая фильтрационным свойствам основного пласта, 2 – выполаживание за счет поступления воды из смежного пласта, 3 – прямая линия, отвечающая суммарной проводимости двух пластов (основного и смежного). Отметим, что угол наклона первого участка всегда будет круче, чем третьего (рис. 15). Чтобы не перепутать данный график с графиком понижения в безнапорном пласте, нужно обратить внимание на следующие детали: 1) на деривативной кривой точка минимума фиксируется на значительно более длительных временах, нежели в условиях безнапорного пласта; 2) первый горизонтальный участок деривативной кривой будет всегда выше второго участка (рис. 14б).

5. Краткие выводы

Как было показано выше, анализ особенностей поведения индикаторных кривых позволяет нам идентифицировать режим фильтрационного потока и получить важную информацию о гидрогеологических условиях участка работ в месте проведения откачки. Основные диагностические признаки кривой понижения при откачке мы свели в обобщенную таблицу 1.

В программном комплексе АНСДИМАТ реализованы алгоритмы автоматического построения всех упомянутых видов кривых (классический график временного прослеживания, деривативные кривые, графики в специальных координатах), это открывает перед пользователем практически неограниченные возможности для анализа и интерпретации своих опытно-фильтрационных опробований.