Способ определения гидродинамических параметров водоносного пласта Советский патент 1985 года по МПК E21B47/10 

Изобрзтение относится к геологоразведочным работам на подземные во ды (пресные, промышленные, минераль ные, термальные), а также может быт использовано при обосновании систем заводнения нефтяных и газовых место рождений, в гидротехническом строительстве, осушении месторождений твердых полезных ископаемых, мелиорации сельскохозяйственных угодий. Известен способ определения коэффициентов фильтрации и пьезопроводности, именуемый кустовой опытной откачкой, включающий бурение на участке распространения исследуемог водоносного пласта нескольких (обыч но 4-5, но не менее 2-х) скважин. Одна из скважин, называемая централ ной или возмущающей, оборудуется специальным скважинным насосом. Все остальные скважины служат для наблюдений и регистрации уровней воды с п мсндью стандартных уровнемеров и поэтому именуются наблюдательньми, Откачка воды из центральной скважины вызывает приток к ней пластовых вод, сопровождающийся снижением их напора, которое можно наблюдать и измерять в наблюдательных скважинах Регистрируя величину понижения уровней воды, обработкой специальными ме тодами, разработанньми на основе уравнений, описывающих процесс водопритока к скважине, получают искомые значения коэффициентов фильтрации и пьезопроводности lj . Недостатком данного способа является высокая стоимость опытных работ, связанная с необходимостью бурения нескольких скважин. Известен также способ определения коэффициента фильтрации и пьезопроводности (уровнепроводности), основанный на использовании только одной скважины, которая одновременно является и возмущающей и наблюдательнойименуемый способом прослеживания восстановления уровня, включающий предварительную откачку воды из скважины, остановку откачки и следующее за этим естественное восстановление уровня до исходного положения и регистрацию уровней восста новления через заданные промежутки времени 2 . Недостатком известного способа является то, что уровень воды в скважине в процессе его восстановления не совпадает с истинным положением уровня воды в водоносном пласте. Неточность регистрации уровня в водоносном пласте приводит к погрешности в оценке коэффициентов фильтрации и пьезопроводности. Расхождение между уровнем воды в скважине и пласте зависит от скорости восстановления и поэтому погрешность может быть весьма значительной. Указанный недостаток вынуждает обращаться к способу кустовых опытных откачек, дающему достаточно достоверные значения определяемых коэффициентов, но требующем для своего осуществления значительных затрат в связи с тем, что является многоскважинным способом. Целью изобретения является повышение точности определения гидродинамических параметров. Поставленная цель достигается тем, что согласно способу определения гидродинамических параметров водоносного пласта, включающему откачку воды из скважины данного пласта, регистрацию восстановления уровня воды в скважине во времени и определение величин коэффициентов фильтрации и пьезопроводности пласта по данньм регистрации, регистрацию восстановления уровня воды осуществляют при разных значениях площади проходного сечения скважины для жидкости интервала изменения ее уровня и определяют время восстановления уровней жидкости для нулевой площади проходного сечения. На фиг., 1 показана схема проведения опыта по восстановлению уровня по первому варианту, на фиг. 2 - то же, по второму варианту; на фиг. 3 схема опытной скважины, расположенной в однородном По фильтрационным свойствам водоносном пласте, пересекаемом рекой; на фиг. 4 - график зависимости времени восстановления уровня от величины проходного сечения рабочего интервала скважины Т f(S), начальная ордината которого выражает истинное время восстановления; на фиг. 5 - вспомогательньй график зависимости уровня восстановления от времени, предназначенный для оценки расчетного времени восстановления уровня, входящему в способ, осуществляемый по второму варианту. В пределах ствола ск&ажины (фиг. 1 и 2) происходит подъем (восстановление) уровня воды 1 (рабочий, опытньй интервал скважины). В металлическую или пластмассовую трубку 2 опускается датчик уровнемера, с помощью которого регистрируются изменения уровня воды в ск;важине, конец трубки заглубляется ниже смесителя эрлифта. Вертикальные стрелки 3 указывают направление движения воды, поступающей в скважину из пласта че рез ее водоприемную часть. На фиг,1 и 2 обозначены: 4 - окружатощие горные породы, 5 - обсадная труба скважины, 6 - воздушная труба эрлифт вой установки, 7 - вкладьш круглого сечения (металлическая болванка или труба с наглухо заделанньми концами) радиуса п , опускаемый на тросе в опытный интервал при проведении по первому варианту. В комплект оборудования для проведения работ по первому варианту предлагаемого способа входят два вкладыша с радиусами г и г , позволяющих получить два разных значения площади про ходного сечения опытного интервала/ третье значение проходного сечения (максимальное) соответствует отсутствию вкладыша rj 0. Площадь проходного сечения ствола скважины равна - S, (МЪ, 5„. где г - радиус ствола скважины (обсадной трубы) в пределах рабочего интервала, г - радиус вкладыша; 5ц - площадь поперечного сечения воздушной трубы эрлифт ной установки 6. Вкладьши собираются из отдельных звеньев, свинчивающихся между собой длиной 5-10 м, что позволяет собирать вкладьши любой длины, отвечающих кокретным условиям проведения работ по определению коэффициентов фильтрации и пьезоПроводнорти. Вкла дьш18 переменного (двухступенчатого сечения, также собираемьй из отдель ных, свинчивающихся между собой звеньев (фиг. 2) предназначен для осуществления предлагаемого способа по второму варианту. Способ определения коэффициентов фильтрации и пьезопроводности (уров непроводности) заключается в следующем. I вариант. Из скважины, оборудованной водоподъемной установкой (главным элементом которой является воздушная труба 6), производится откачка воды с некоторьм постоянным дебитом, величина которого, а также продолжительность откачки подбираются таким образом, чтобы снижение уровня составляло примерно 20-30 м. Такой подбор осуществляется либо ориентировочньм расчетом, либо исходя из имеющегося опыта работ в сходных уело-ВИЯХ. В ходе откачки осуществляют наблюдения за дебитом и понижением уровня, для чего используют уровнемер непрерывного (самопишущий) либо дискретного действия. Датчик уровнемера находится в измерительной трубке 2, исключающей возмущения, связанные с работой эрлифта. По достижении проектной отметки уровня откачку прекращают, в результате чего уровень воды 1 начинает повьшаться (восстанавливаться), и при этом ведут непрерывную регистрацию уровней восстановления с помощью уровнемера. Измерения прекращают по достижении уровнем своего исходного положения. Используя данные замеров уровня определяют длину и положение опытного интервала (представляющего собой расстояние между . исходным положением уровня воды в скважины до начала откачки и его минимальным значением, достигнутым в момент ее окончания). Описанные операции (откачка воды, восстановление уровня и его регистрация) составляют I цикл. Завершив I цикл, приступают к выполнению II цикла, который заключается в том, что в рабочий интервал скважины устанавливают (путем подвешивания на тросе) вкладьш 7 соответствующего размера, способного разместиться в просвете ствола скважины, частично занятого воздушной (и в зависимости от конструкции водоподъемной установки водоподъемной) трубой эрлифта. Необходимая длина вкладыша обеспечивается выбором соответствующего количества звеньев, входящих в комплект оборудования для проведения работ по первому варианту способа. |После установки вкладыша приступают к повторной откачке, следя за тем, чтобы ее дебит соответствовал де.биту откачки, установленному в процессе I цикла. Все последующие one-рации (остановка откачки по достижении минимального уровня, регистрация уровней с помощью уровнемера) полностью идентичны тем, которые осуществлялись в процессе I цикла. По завершении II цикла приступают к III циклу; вкладьпп радиуса гЬ заме няют на вкладып следующего размера rbn таким образом, что его длина и положение в скважине соответствуют длине и положению вкладьпна, использовавшегося на предыдущем этапе. Все последующие операции: предварительная откачка, ее остановка, регистрация уровней полностью идентичны тем, которые осуществлялись в ходе I и II циклов. По окончании III цикла приступают к построению графика зависимости . времени восстановления уровня (от минимального значения, достигнутого при окончании откачки, до исходного) от величины площади проходного сечения рабочего интервала (фиг. 4) - значения площадей проходных сечений рабочего интервала в I, II и III циклах опытных работ соответственно; t, t t - продол жительность полного времени восстановления за I, II и III циклы). Пост роив указанный график, определяют его начальную ординату, значение которой соответствует истинному времени восстановления уровня, не зависящему от площади проходного сечения скважины (S п( 0) и, следовательно от ее инерционности. Дальнейшие расчеты коэффициентов фильтрации и водопроводимости (уровнепроводности) выполняются по стандартной методике 2 , при этом в качестве времени используют его истинное значение, найденное описанным выше способом. Использование в расчетах истинного времени приводит к тому, что результирующие значения искомых коэффициен тов также будут истинными. II вариант. II вариант реализации способа зак лючается в том, что в рабочий интервал опытной скважины устанавливают двухступенчатую вставку 8 (путем подвешивания на тросе). Учитьгеая, что максимальные значения скорости восстановления уровня воды отвечают его началу (т.е. непосредственно за 976 остановкой скважины), вкладыш следует устанавливать показано на фиг. 2, т.е. меньшим размером радиуса вниз. Это приводит к увеличению проходного сечения нижней части рабочего интервала и, следовательно, к замедлению скорости восстанобления, что удобно с точки зрения производства замеров уровней. Общая длина вставки составляет 2/3 длины рабочего интервала, верх вставки совпадает с положением исходного уровня, таким образом, нижняя треть рабочего интервала вкладьш1а не содержит и, следовательно, имеет максимальное проходное сечение. Минимальное проходное сечение отвечает верхней трети рабочего интервала, так как размер вкладыща здесь максимальный. Далее работы ведут в обычном порядке: сначала производят откачку воды до достижения минимального уровня, затем откачку прекращают, после чего происходит естественное восстановление уровня. Ход изменений уровня регистрируется посредством уровнемера. После того, как уровень воды достигнет своего исходного положения, замеры прекращают и строят график зависимости значений повьшения уровня от времени (фиг. 5). Для удобства интерпретации и обработки графика рассмотрим числовой пример. Общая длина рабочего интервала (расстояния от минимального положения уровня, достигнутого в ходе откачки до его исходного положения) равна 22 м. Границь ступеней находятся на отметках: ho 22,0,и; h 15,0 м,- h 7,0 м; h 0,0 м (верх рабочего интервала принят за начало отсчета). Основываясь на свойствах уравнения, описьшающего процесс восстановления уровня воды в скважине на вертикальной оси выделяют расчетные интервалы, границы которых Соответственно обозначаются: h , h/ , h , . Первый (ншсний) расчетный интервал соответствует нижней ступени рабочего интервала, откуда следует, что ь; h, hp 22,0 Mi 15,0 м. ho Находят коэффициент 6 h, Т5,0 1,47. Нижняя граница второго (среднего) расчетного интервала совпадает с нижней границей средней ступени h| Ь 15,0 м, верхняя граница находится из соотношения h - hL - 10 22 м ct 1,47 Нижняя граница третьего (верхнего) расчетного интервала совпадает с нижней границей третьей ступени (верхний): hj 7,0 м. Верхняя граница третьей расчетной ступени находится из соотношения hL hi , 4,77 м. Установив границы расчетных интервалов, с горизонтальной оси снимают значения времени восстановления в пределах каждого из трех расчетных ш.тервалов t4 126 с, t 284 с и t9 506 с. Найденные та КИМ образом значения t пользуются для построения графика зависимости времени восстановления от площади проходного сечения (фиг. по которому определяют время истинн го восстановления уровня, численное значение которого равно начальной ординате этого графика. Дальнейшие расчеты коэффициентов фильтрации и водопроводимости (уровнепроводнос ти) вьтолняются по стандартной мето дике, при этом в качестве времени используют его истинное значение, найденное описанньм выше способом. Использование в расчетах истинного времени приводит к тому, что резуль тирующее значение искомых параметро коэффициента фильтрации и коэффицие та пьезопроводности (уровнепроводно ти) также будут истинными. Теоретические предпосылки предла гаемого способа заключаются в следу ющем. Пусть имеется бзфовая скважин расположенная в напорном водоносном плате, пересекаемом рекой. Насыщающая Пластовая вода - несжимаемая. Е ли в скважине понизить уровень воды путем откачки на некоторую величину h, а затем откачку прекратить, то в результате перетекания жидкост из реки в пласт, а из пласта в сква жину, уровень воды начнет восстанав ливаться (подниматься). Очевидно, ч относительная скорость восстановления уровня составляет db Q + Qdt О, CO 2 где Q - расход жидкости, постуггающий из пласта в скважину; ц - площадь поперечного сечения ствола скважины, равная it г Q (г - радиус скважины);. площадь поперечного сечения реки, очевидно, что COj оо , h - понижение уровня воды в скважине относительно его первоначального положения. Откачка из скважины, расположенной вблизи реки, описьгеается следующим уравнением 21 k п, У е„- - мощность (толщина) водоносного пластаi - параметр, характеризующий :степень несовершенства скважины Р - расстояние от скважины до k - коэффициент фильтрации. Подставляя выражение (2) в (1) и интегрируя полученный результат от tjj до t (tg - начало восстановления уровня), получаем полное время восстановления уровня от его начального (перед восстановлением) положения h до hf -. En- V При радиусе скважины 0,1 м, расстоянии ее от реки 100 м и km 100 , время подъема уровня от глубины в 1 м составляет 74 с. При радиусе скважины 0,2 м время восстановления составляет 274 с. Если предположить, что радиус скважины равен О, то из уравнения (3) следует, что восстановление уровня происходит мгновенно. Данный пример показьюает зависимость скорости подъема уровня (восстановления) от площади поперечного сечения скважины; в рассматриваемых условиях истинное время восстановления равно О, так как вода принйта неожидаемой. Таким образом, используй для оценки гидрогеологических параметров .(коэффицинтов фильтрации и пьезопроводности) способ, именуемый способом прослеживания восстановления уровня (2), получим погрешность, по9

скольку учет инерционности скважина этим способом не предусматривается.

Анализ уравнения (3) позволяет предложить способ оценки истинного времени восстановления уровня, а следовательно, нахождения истинных значений коэффициентов фильтрации и пьезопроводности.

Предлагаемьй способ может быть осуществлён в двух вариантах;

Iвариант. Из уравнения (3) следует, что если опыт по восстановлению уровня провести три (или более) раза при разных значениях площади поперечного сечения скважины, то будут получены три значения времени восстановления уровня. Полученные результаты позволяют построить график зависимости (фиг. 4), начальная ордината которого выражает истинное восстановления.

Помимо того, что истинное время используется для расчета истинных значений коэффициентов фильтрации и пьезопроводности, величина этого времени является характеристикой упругого состояния пласта: если, например, это время равно О, то это свидетельствует о том, что водоносный пласт характеризуется жестким режимом (жидкость, насыщающая пласт - несжимаемая).

IIвариант предусматривает однократное восстановление уровня, но

с применением вкладыша, имеющего ступенчатое строение.

Предлоложим, что ствол скважины имеет постоянное сечение, тогда весь интервал восстановления уровня от минимального значени;я до исходного можно разбить на такие подинтер валы, для которых время восстановления будет одинаковьм

bu-J

(4)

I,

«п

Если рабочий интервал скважины (в котором производится восстановле4899710

ние уровня, простирающийся от h до h имеет ступенчатую структуру, то время восстановления в интервалах, выделяемых по правилу, выражаемому 5 уравнением 4 будет различном, так как оно зависит от размеров проходных сечений этих ступеней, отсюда следует, что время восстановления уровня воды в пределах интервалов,

to вьщеляемых по правилу уравнения (4) (расчетных интервалов) может служить для оценки зависимости времени восстановления от площади проходного сечения (фиг, 4), по которой опреде(5 ляют истинное время восстановления. Нижние границы всех расчетных интервалов совпадают с нижними границами ступеней, характеризующихся соответствующими значениями проходных

20 сечений. Верхняя граница нижнего

расчетного интервала также совпадает с верхней границей нижней ступени. Верхние границы остальных расчетных интервалов определяются расчетом по

25 соотношению, вытекающему из уравнения ,

,1 hn-i

h - 5, где h , - нижняя граница расчетноного интервала (совпа30дающая с фактическим положением границы соответствующей ступени), h - верхняя граница. Коэффициент 9t находится по значениям границ нижнего расчетного интевала, совпадающих с границами нижней ступени.

Технико-экономический эффект предлагаемого способа заключается в том, 0 что он обеспечивает высокую точность определяемых гидрогеологических параметров (коэффициентов фильтрации и пьезопроводности) при большой экономии времени и средств, так как являясь односкважинньм методом, избавляет от необходимости сооружать специальные наблюдательные скважины.

СПОСОБ ОПРЕдаЛЕНИЯ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ВОДОНОСНОГО ПЛАСТА, включающий откачку воды из скважины данного пласта, регистрацию восстановления уровня воды в скважине во времени и определение величин коэффициентов фильтрации и пьезопроводности пласта по данньм регистрации, о.тличающийся тем, что, с целью повышения точности определения гидродинамических параметров, регистрацию восстановления уровня воды осуществляют при разных значениях площади проходного сечения скважины для жидкости интервала изменения ее уровня и определяют время восстановления уровней жидкости для нулевой площади проходного сече« VH ния. 265 I NU СХ) СО ф VI Фаг.7

Р Во оулор б/е лоро А/ Фuг.J

{сек}

Фиг. 4

SffcM

fh

I lilt I I IKs