Поинтервальные (пакерные) опробования водоносных горизонтов. Как правильно проводить?

Поинтервальные пакерные опробования, как правило, выполняются для изучения фильтрационной изменчивости вмещающих пород по длине ствола скважины. Этот вид опробований весьма распространен при исследовании неоднородности трещиноватых сред на участках добычи полезных ископаемых, на площадках глубинной изоляции радиоактивных отходов в геологические формации, а также при проведении инженерных изысканий в условиях сильно неоднородных сред (Рисунок 1). Применение пакерного оборудования является наиболее эффективным и экономичным решением по сравнению с бурением кустов скважин, особенно если речь идет о больших глубинах.

Также пакерные опробования часто применяются для оценки качества выполненных геотехнических работ, например, для подтверждения фильтрационных характеристик укрепленного грунта под проектируемым сооружением, или противофильтрационной завесы. Такие виды работ набирают все большую популярность и в России.

Рисунок 1– Внешний вид одинарного пакера BIMBAR

Существует несколько методик для проведения поинтервальных опробований с использованием пакеров. Остановимся на методике Люжона (Lugeon [1]), как одной из наиболее распространенной. Суть методики заключается в следующем: при помощи пакерного оборудования изолируется отдельный интервал скважины. Далее осуществляется беспрерывное нагнетание воды в интервал ступенями в 1-2 атмосферы. Как правило проводят до 5-6 ступеней наращивания, а затем снижения давления. При этом на каждой ступени фиксируется расход нагнетаемой жидкости. Нагнетание проводится до тех пор, пока расход не стабилизируется, после чего переходят к следующей ступени.

Преимуществом такого эксперимента является то, что помимо определения коэффициента фильтрации на каждой ступени мы можем исследовать геомеханическое поведение трещиноватой системы. Для этого Люжон предложил набор индикаторных графиков (Рисунок 2), которые по форме восходящей и нисходящей кривых могут свидетельствовать о раскрытии трещин или их кольматации, а также о характере фильтрационного потока (ламинарный или турбулентный). Индикаторные графики связывают величину давления со средним расходом нагнетаемой воды в интервал при заданном давлении.

Рисунок 2 – Индикаторные графики при проведении пакерных нагнетаний по методике Люжона

Форму графиков можно разделить на два типа:
Первый тип
– Когда кривая роста и падения давлений близки или повторяют друг друга, т.е. не проявляется гистерезис. – Прямолинейный график будет означать, что поток подземных вод ламинарный при всем диапазоне давлений (Рисунок 2а). Полученные коэффициенты фильтрации будут характеризовать свойства среды в естественных условиях.
– Если кривая загибается в горизонтальной плоскости (рисунок 2б), то это свидетельствует о турбулентном характере потока (полученные в результате такого эксперимента коэффициенты фильтрации не будут отвечать реальным значениям).
– Если кривая загибается в вертикальной плоскости (рисунок 2в), это свидетельствует о том, что при увеличении давления происходит раскрытие трещин, увеличивается проводимость всей системы. Поскольку при снижении давления нисходящая ветвь повторяет форму восходящей, можно говорить об упругом характере деформаций трещиноватой системы, т.е. трещины обратно схлопываются так же, как и раскрывались. При такой форме графика рассчитанные коэффициенты фильтрации будут зависеть от давления, которое нагнетается в интервал.
Второй тип – когда кривая роста и падения давлений расходятся друг относительно друга.
– Если кривая роста лежит ниже кривой падения, то такой график может характеризовать размытие трещины в процессе нагнетания (рисунок 2г). Такая же форма кривой будет наблюдаться и в том случае, если при нагнетании была раскрыта трещиноватая система массива и произошли пластичные (необратимые) деформации. Тогда при снижении давления нагнетания раскрытые трещины не будут обратно схлопываться.
– Если кривая роста лежит выше кривой падения – это является характерным признаком кольматации массива во время проведения нагнетаний (рисунок 2д).

Таким образом, вид кривой, отображающей связь давления нагнетания с расходом, позволяет нам делать выводы о поведении трещиноватой системы при нагнетании, а также судить о достоверности получаемых фильтрационных параметров.

Отметим, что успешное проведение пакерных нагнетаний по методике Люжона требует строгого выполнения ряда последовательных действий, контроля герметичности пакеров во время проведения экспериментов, а также соблюдения допустимых давлений для подачи на подушки пакера и в опробуемый интервал. Также пересчет показаний манометра на поверхности в величину давления на опробуемом интервале не всегда является тривиальной задачей ввиду возникновения потерь давления в стволе за счет трения жидкости о стенки фильтровой колонны и других факторов. Более подробно методика пакерного опробования изложена в [2].

Расчет коэффициента фильтрации при пакерных опробованиях может проводится по уравнению Тима [3] или Мойе [4]. Эти уравнения приведены ниже.

Для обработки результатов пакерного опробования водоносных горизонтов в программе ANSDIMAT был разработан специальный модуль. Внешний вид модуля приведен на Рисунке 3.

Рисунок 3 – Пример обработки пакерных опробований в программе ANSDIMAT

В качестве демонстрации приведем пример наших работ по изучению барьерных свойств кембрийских глин с применением поинтервальных пакерных нагнетаний.

Поинтервальные пакерные нагнетания проводились в 4 скважинах для 3 интервалов различной глубины (Рисунок 4). Скважины были расположены вокруг полигона токсичных промышленных отходов. Для надежной изоляции отходов от окружающей среды предполагается создать эшелонированную защиту. Противофильтрационная завеса до основания слабопроницаемых грунтов исключит вынос загрязнения с грунтовыми водами, а горизонтальный непроницаемый экран, который укроет полигон сверху, будет перехватывать и отводить атмосферные осадки.

Рисунок 4 – Геологическое строение и интервалы пакерного опробования

Для обоснования глубины заложения ПФЗ необходимо было изучить изменчивость фильтрационных свойств кембрийских глин с глубиной (Рисунок 5). Предварительные лабораторные определения коэффициентов фильтрации на монолитах показали, что коэффициент фильтрации кембрийских глин не поднимается выше значений 5E-6 м/сут. Однако известно, что верхняя часть глин за счет действия ледника в прошлом, может быть дезинтегрированной и состоять из блоков, разделенных между собой трещинами. Поэтому важно исследовать поведение блочной системы кембрийских глин именно полевыми методами в не нарушенных условиях, т.е. in-situ.

Рисунок 5 – Монолиты кембрийских глин из скважины

Нагнетания были проведены в интервалах глубин 5–6 м, 7–8 м, 9–10 м при помощи Бельгийских пакеров BIMBAR (www.exostra.ru). Внешний вид мобильной пакерной установки приведен на Рисунке 6. Начальное давление при нагнетании составляло 1 атм. Далее давление постепенно наращивалось ступенями до 10 атм. На каждой ступени фиксировался нагнетаемый в интервал расход до момента его стабилизации.

Рисунок 6 – Внешний вид мобильной пакерной установки

Индикаторные кривые связи скорости поглощения с приложенным давлением для скв. 6П приводим на Рисунке 7. Синим цветом указаны расчетные коэффициенты фильтрации для каждой ступени.

Рисунок 7 – Результаты поинтервальных нагнетаний в кембрийские глины

Из рисунка 7 видно, что на начальных этапах при нагнетании с небольшим давлением в 1–2 атмосферы не происходит поглощения воды в опробуемых интервалах, т.е. глины проявляют себя как барьер: фильтрации по трещинам не происходит, коэффициент фильтрации можно оценить как величину меньше 1E-4 м/сут. Однако по мере увеличения давления, в определенный момент происходит прорыв жидкости и раскрытие блочной системы трещин. Интервал начинает поглощать воду. В условиях раскрытых трещин коэффициент фильтрации, оцененный по уравнению Мойе, может достигать 0,4 м/сут.

Давление прорыва зависит от глубины опробуемого интервала: на 5 метрах раскрыть трещинно-блочную систему глин оказывается проще, чем 7 или 10 м (см. Рисунок 7).

По мере снижения нагнетаемого давления мы наблюдаем, что объем поглощаемой жидкости с каждой ступенью падает. При этом кривая снижения не повторяет форму кривой роста давления. Гистерезис кривой роста и снижения давлений свидетельствует о том, что в процессе нагнетания в массиве глин происходят пластичные (необратимые) деформации. Однако, несмотря на пластичные деформации во время вскрытия трещинной системы глин, на графиках хорошо видно, что в определенный момент времени при снижении давления блочная система обратно схлопывается, поглощение жидкости в опробуемом интервале прекращает и массив вновь становится непроницаемым.

Таким образом, нагнетания по методике Люжона позволили изучить поведение трещиновато-блочного массива кембрийских глин. Было показано, что
– в естественных условиях кембрийская глина выступает в качестве фильтрационного барьера. Ее коэффициент фильтрации составляет менее 1E-4 м/сут. Однако при создании избыточного давления блочная система глин может раскрываться, и тогда в глинах будет наблюдаться фильтрация. По мере увеличения давления будет расти и коэффициент фильтрации опробуемой среды.
– давление раскрытия блочной системы растет с глубиной. В верхнем исследуемом интервале существуют риски раскрытия блоков при проведении строительных работ. Поэтому основание ПФЗ было рекомендовано опустить в глины на глубину ниже 6 м.
– экспериментально показано, что глины обладают свойством самозалечивания и при снятии избыточного давления раскрытые трещины вновь герметично смыкаются.

[1] Houlsby, A., 1976. Routine Interpretation of the Lugeon Water-Test. Q. J. Eng. Geol. Vol. 9, pp. 303-313.
[2] Yihdego, Yohannes. “Hydraulic In Situ Testing for Mining and Engineering Design: Packer Test Procedure, Preparation, Analysis and Interpretation.” Geotechnical and Geological Engineering 35, no. 1 (November 1, 2016): 29–44. doi:10.1007/s10706-016-0112-9.
[3] Thiem G. Hydrologische methoden. Leipzig. 1906
[4] Moye D.G. Diamond drilling for foundation exploration. Civil Eng. Trans., Inst. Eng. Australia. 1967, pp 95–100.

Откачка из горизонтальной или наклонной скважины

Возможные варианты схематизации:
1. Напорный пласт.
2. Безнапорный пласт.
3. Водоносный комплекс с перетеканием.

Список решений:
1. Решение Чжаня, Вана и Парка для понижения в пьезометре при откачке из горизонтальной скважины, расположенной в напорном профильно-анизотропном пласте.
2. Решения Чжаня и Злотника для понижения в наблюдательной скважине или пьезометре при откачке из горизонтальной или наклонной скважины, расположенной в безнапорном профильно-анизотропном пласте.
3. Решение Чана и Парка для понижения в пьезометре при откачке из горизонтальной скважины, расположенной в водоносном комплексе с перетеканием.

Наклонный водоносный пласт и пласт переменной мощности

Список решений:
1. Решение для пласта переменной мощности;
2. Решение для наклонного безнапорного пласта без перетекания;
3. Решение для наклонного безнапорного пласта с учетом перетекания;

Типовая схема

Трещиновато-пористая среда

Список решений:
1. Решение Менча для понижения в трещине и блоке для слоистой системы трещин и блоков;
2. Решение Менча для понижения в трещине и блоке для блоков сферической формы;
3. Решение Менча для понижения в пласте с ортогональной системой трещин;
4. Скважина в вертикальной трещине: решение Грингартена для псевдорадиального потока к трещине;
5. Скважина в вертикальной трещине: решение Дженкинса для линейного (параллельного) потока к трещине;
6. Опытная скважина пересекает горизонтальную трещину: решение Грингартена для понижения в водоносном пласте.

Типовая схема

Откачка с постоянным понижением

Возможные варианты схематизации:
1. Напорный изолированный водоносный пласт;
2. Водоносный комплекс с перетеканием.

Список решений:
1. Решение на основе специальной функции A(u, b) для понижения в напорном пласте;
2. Решение Стернберга для понижения в напорном пласте;
3. Решение на основе специальной функции Z(u, b1, b2) для понижения в напорном пласте с перетеканием;
4. Решение Стернберга для понижения в напорном пласте с перетеканием.

Типовая схема

Слоистые системы (двух- и трехслойные)

Список решений:
1. Набор решений для различных положений хорошо и слабопроницаемых пластов (рассматриваются фильтрационные свойства трех пластов);
2. Набор решений для различных положений хорошо и слабопроницаемого пласта (рассматриваются фильтрационные свойства двух пластов).

Типовая схема

Откачка около реки

Список решений:
1. Решения Шестакова для понижения в напорном пласте;
2. Решения Хантуша для понижения в безнапорном пласте.

Типовая схема

Планово-неоднородный водоносный пласт

Список решений:
1. Решения Максимова для понижения в основном и смежном пластах;
2. Решения Фенске для понижения в основном и смежном пластах.

Типовая схема

Двухслойный водоносный комплекс

Список решений:
1. Решение Мироненко для понижения в основном пласте.
2. Решение Кули-Кэйса для понижения в основном пласте.

Типовая схема

Водоносные комплексы с перетеканием

Перетекание из водоносных пластов с постоянным напором

Перетекание из водоносного пласта с изменяющимся напором

Перетекание с учетом емкости разделяющего слоя

Профильно-анизотропный водоносный пласт в водоносном комплексе с перетеканием

ПЕРЕТЕКАНИЕ ИЗ ВОДОНОСНЫХ ПЛАСТОВ С ПОСТОЯННЫМ НАПОРОМ

Возможные варианты схематизации:
1. Неограниченный в плане водоносный пласт;
2. Полуограниченный в плане пласт: граница I рода;
3. Полуограниченный в плане пласт: граница II рода;
4. Пласт-полоса: границы I рода;
5. Пласт-полоса: границы II рода;
6. Пласт-полоса: границы I и II рода.

Список решений:
1. Решение на основе функции влияния скважины с учетом перетекания;
2. Решение для понижения в пласте с перетеканием в совершенной наблюдательной скважине с учетом емкости опытной скважины;
3. Решение для понижения в опытной скважине в пласте с перетеканием с учетом емкости опытной скважины.
4. Решения на основе функций Грина для ограниченных пластов..

Типовая схема

ПЕРЕТЕКАНИЕ ИЗ ВОДОНОСНОГО ПЛАСТА С ИЗМЕНЯЮЩИМСЯ НАПОРОМ

Список решений:
1. Решение для понижения в основном пласте;
2. Решение для понижения в смежном пласте.

ПЕРЕТЕКАНИЕ С УЧЕТОМ ЕМКОСТИ РАЗДЕЛЯЮЩЕГО СЛОЯ

Список решений:
1. Решения для понижения в основном пласте (уровень в смежном пласте постоянный или меняется в процессе опробования);
2. Решение для понижения в смежном пласте;
3. Решения для понижения в разделяющем слое (уровень в смежном пласте постоянный или меняется в процессе опробования).

ПРОФИЛЬНО-АНИЗОТРОПНЫЙ ВОДОНОСНЫЙ ПЛАСТ В ВОДОНОСНОМ КОМПЛЕКСЕ С ПЕРЕТЕКАНИЕМ

Список решений:
1. Решения Хантуша для понижения в несовершенной скважине в профильно-анизотропном пласте.