Расчеты водозаборных сооружений на месторождениях в пластовых системах краевой зоны артезианских бассейнов

Рациональные схемы водозаборных сооружений - компактные, т.е. одиночные скважины, площадные группы скважин, кольцевые батареи.

В квазиоднородных условиях применяются аналитические расчеты по двум схемам:

1. Если есть (обоснованы разведочными данными) основания допускать неизменность (или незначительное снижение) уровней в смежных горизонтах, то применяют аналитические расчеты по "нестационарной формуле" Хантуша:

 

Здесь, как обычно,  имеет смысл либо собственного (расчетного) радиуса одиночной водозаборной скважины, либо радиуса "большого колодца", либо расстояния между взаимодействующими скважинами.

Если время ожидаемой стабилизации режима мало по сравнению с реальным сроком эксплуатации, то можно пользоваться предельной формой зависимости Хантуша:

 - для расчета понижений в любой точке области (включая водозабор),

или  - для расчета понижений в водозаборе и ближайшей области (0.3 ).

( - символ функции Бесселя второго рода нулевого порядка от мнимого аргумента - не путать с коэффициентом фильтрации разделяющего слоя ).

Фактор перетекания  в общем случае является интегральной характеристикой перетекания через кровлю и подошву основного пласта:

где индекс "00" придается разделяющему слою в подошве пласта.

При вполне вероятном допущении

2. Если ожидается длительное совместное снижение уровней во взаимодействующих горизонтах, можно применить более сложную функцию скважины , дополнительный аргумент которой () определяется соотношением водоотдач в системе.

В случае сложной неоднородности водоносных горизонтов и разделяющих слоев нужно использовать моделирование - чаще всего в плоско-пространственной постановке, основанной на предпосылках перетекания (с количественным подтверждением возможности их применения).

Если верхний горизонт - грунтовый (достаточно распространенная ситуация), то для него должны быть разведаны и реализованы на модели "свои" граничные условия - это важные источники формирования ЭЗ.

Общие положения методики разведки

В силу пространственного характера эксплуатационной депрессии напоров система расчетных гидрогеодинамических параметров должна охватывать все взаимодействующие элементы водоносной толщи:

- основной горизонт: проводимость Т, пьезопроводность а (для аналитических расчетов) или упругая водоотдача (для моделирования); емкостные параметры необходимы, так как возможен длительный нестационар

- смежные горизонты: в общем случае, тоже проводимость и пьезо(уровне)проводность или водоотдача, потому что в ходе разведки далеко не всегда можно уверенно заключить, какую схему принимать для прогноза (с постоянным или понижающимся уровнем в смежных горизонтах)

- разделяющие слои: коэффициенты фильтрации K0 , K00 или коэффициенты перетока χ 0, χ 00 ( для аналитических расчетов факторы перетекания В0, В00, В ). В некоторых случаях (мощные разделяющие слои) нужно обращать внимание и на упругую емкость разделяющих слоев , которая для региональных воронок может иметь вполне реальное значение как дополнительный источник формирования упругих естественных запасов.

Очевидно, что для достоверной оценки столь сложной параметрической совокупности необходим тщательно продуманный и не менее тщательно исполненный комплекс полевых опытных работ. В наиболее сложных ситуациях (при существенной послойной неоднородности) вполне оправданным является применение гидравлических приемов оценки ЭЗ.

Опытные откачки

= Длительность откачек должна быть достаточной для четкого проявления перетекания; очень желательно добиться четкой устойчивой стабилизации - причем с контролем по графикам прослеживания в координате , а не по субъективной оценке темпа снижения уровня, который при больших временах может быть обманчиво низким.

= Наблюдения при откачках - обязательно пространственные, т.е. не только в плане в опробуемом водоносном горизонте, но и по вертикали во всей взаимодействующей толще. Ярусные пьезометры - обязательно в смежных горизонтах и в разделяющих слоях; они должны ответить на кардинальный вопрос: снижаются или нет уровни в смежных горизонтах? "Трагедия" состоит в том, что отсутствие реакции в смежных горизонтах может объясняться прямо противоположными причинами: либо отсутствием значимого перетекания (малые ), либо при "нормальном" перетекании - наличием мощных сдерживающих балансовых факторов в смежном горизонте. При решении этого вопроса нужно учитывать все наблюдаемые обстоятельства:

- наличие тенденции к выполаживанию или даже стабилизации уровней в опробуемом горизонте;

- поведение уровня в смежном горизонте определяется не только (а, может быть, и не столько) реакцией на перетекание, но и собственными режимообразующими факторами! Нужны независимые наблюдения за естественным режимом вне зоны откачки, так как откачки обычно довольно длительные (месяц, часто более);

- обязательным признаком, подтверждающим существование перетекания, является адекватная реакция пьезометров в соответствующих разделяющих слоях. Важно: пьезометры, устанавливаемые в разделяющих слоях, должны иметь "точечные" фильтры (0.5-1 м), так как движение вертикальное. Проблемы технического характера - пьезометрические скважины с обычными фильтрами работают плохо - как правило, сильное заиливание фильтрового интервала. Полезно попытаться применить датчики порового давления, хотя чувствительность их оставляет желать лучшего;

- еще одно, иногда немаловажное обстоятельство: сброс откачиваемой воды! Если поблизости нет крупного водоема или реки (которые не меняли бы своего уровня под влиянием сброса) и сброс производится на рельеф (пусть и на некотором расстоянии от центральной скважины), то возможен ощутимый подъем уровня грунтового водоносного горизонта, который исказит его реакцию на перетекание - особенно при длительных и мощных ОЭО.

= Обработку откачек следует выполнять методами, учитывающими существование перетекания. Нередко практикуемое применение методов обработки для изолированного пласта оправдывается выбором начальных участков, когда перетекание якобы еще не проявилось. При таком подходе вполне вероятны субъективные погрешности, за счет которых в полученные значения параметров в какой-то степени войдут процессы перетекания; если затем эти параметры заложить в прогнозные расчеты, где перетекание учитывается особо, то получится "двойной счет".

= Особое внимание при проектировании откачек следует уделить оптимальной расстановке наблюдательных скважин, поскольку обработка и временного (эталонные кривые  и площадного (эталонная кривая  прослеживания наиболее эффективна в случае широкого диапазона радиальных координат.

ГИДРОГЕОТЕРМИЧЕСКИЕ НАБЛЮДЕНИЯ могут быть применены для ориентировочной оценки скорости перетекания и коэффициента фильтрации разделяющих слоев. Они основаны на оценке степени деформации естественных гидрогеотермограмм в разрезе разделяющих слоев ( графики в координатах относительной температуры  от относительной глубины ) под влиянием конвективного переноса тепла с потоком перетекания. Условия успешного применения: а) достаточно мощные слои (несколько десятков метров); б) глубина залегания более 30-40 м (за пределами слоя сезонных колебаний температур). Технически наблюдения осуществляются с помощью косы терморезисторов (с надежной гидроизоляцией), равномерно распределенных в интервале разделяющего слоя.

В литературе имеются описания примеров применения ГИДРОГЕОХИМИЧЕСКИХ НАБЛЮДЕНИЙ, основанных на приниципиально аналогичной модели массопереноса. В качестве отслеживаемого индикатора рекомендуется использовать концентрацию хлор-иона в поровых растворах пород разделяющих слоев.

Наконец, для крупных месторождений и при достаточном информационном обеспечении хорошие результаты может дать решение ОБРАТНЫХ ЗАДАЧ на моделях (лучше - по стационарным состояниям потока при естественном и нарушенном режиме). Как правило, цель решения таких задач состоит в уточнении проницаемости разделяющих слоев; при этом заданными являются уровни смежных горизонтов, а индикатором согласования - совпадение модельных и натурных уровней в контрольных точках основного горизонта. Успех решения таких задач, в основном, определяется: а) достаточностью пьезометрической сети (по площади и по вертикали), б) надежностью используемых оценок проводимости основного горизонта.

Формирование качества воды на месторождениях в пластовых системах краевой зоны артезианских бассейнов

"Естественное " изменение качества воды при эксплуатации

Для крупных артезианских бассейнов платформ характерно сложное естественное распределение минерализации - как по площади в основном пласте, так и в вертикальном разрезе. Поэтому при разведке необходим широкий комплекс пространственных гидрогеохимических опробований, тщательные наблюдения во времени при откачках (особенно длительных).

Нормальная вертикальная гидрогеохимическая зональность, свойственная пластовым толщам артезианских бассейнов, представляет собой важный естественный фактор возможного изменения качества воды при длительной эксплуатации водозаборов. Еще более сложные условия создаются в случае инверсных гидрогеохимических разрезов.

Рассмотрим ситуацию с расположением водозабора в крупной речной долине, т.е. в зоне разгрузки межпластовых горизонтов по схеме Мятиева-Гиринского (случай Б, рис.8.2).

Рис.8.5. Принципиальная схема формирования качества воды при работе водозабора в пластовой системе

 Зона захвата имеет форму концентрических кругов вокруг водозабора:

- для нижнего горизонта - вся площадь депрессионной воронки;

- для верхнего - только площадь зоны полной инверсии естественной разгрузки из основного горизонта.

Важно: при оценке возможных изменений качества извлекаемой водозабором воды следует учитывать только величины дополнительно возникшего питания основного пласта (т.е. привлекаемые ресурсы), так как величина естественного питания уже отражена в фоновых значениях минерализации пластовой воды .

Исходя из этой позиции, солевой баланс эксплуатационного водоотбора следует представить в таком виде:

где  - расход дополнительного питания из верхнего горизонта (перетекание, возникшее в зоне полной инверсии разгрузки вокруг водозабора),  - расход дополнительного питания из нижнего горизонта (суммарное увеличение интенсивности естественного перетекания по всей площади депрессии).

Отсюда общая формула смешения: где  - естественная минерализация пластовой воды основного горизонта,  - то же для верхнего и нижнего смежных горизонтов соответственно.

В условиях нормального гидрогеохимического разреза  обычно меньше  (если говорить об общей минерализации, а не каких-то специфических показателях качества воды). Соответственно при эксплуатации принципиально возможно постепенное разбавление извлекаемой водозабором воды, т.е. улучшение ее качества. В то же время интенсификация перетекания снизу потенциально создает угрозу ухудшения качества, т.к., как правило,.

В условиях конкретных месторождений эта простейшая базовая схема может осложняться возможностью постепенного изменения при значительном распространении депрессии в смежных горизонтах.

Еще одна интересная особенность:

- для нижнего разделяющего слоя величина сорбционной емкости  в естественных условиях уже насыщена по отношению к минерализации , так как это естественное направление перетекания в течение длительного (даже в геологическом смысле) времени. Поэтому теоретически сразу после начала эксплуатации в основной горизонт начнет поступать дополнительное количество воды  с концентрацией  

- иная картина в верхнем разделяющем слое. Здесь естественная емкость  насыщена по отношению к величине  - в соответствии с естественным направлением перетекания. Поэтому, когда в зоне полной инверсии возникнет дополнительное перетекание  противоположного направления и с меньшей минерализацией , то в разделяющем слое должны пройти процессы десорбции - в течение некоторого времени в разделяющий слой из верхнего горизонта входит "пресная" вода, а выходит в основной горизонт уже насыщенная (за счет десорбционного "сноса") до уровня .

Длительность "промывки", т.е. постепенного продвижения фронта десорбции от кровли разделяющего слоя к его подошве, можно ориентировочно оценить по схеме поршневого вытеснения:

где  - эффективная пористость пород разделяющего слоя,  - вертикальный градиент напора при перетекании, - разность напоров между основным и смежным горизонтом, - действительная скорость движения воды в разделяющем слое.

Таким образом, эффект разбавления из верхнего горизонта может быть отложен по времени, причем величина этой задержки может быть весьма значительной. При эффективной пористости порядка 0.1 (скорее всего, это даже заниженная величина для глинистых пород), градиенте напора порядка 1, мощности разделяющего слоя порядка первых десятков метров и коэффициенте фильтрации 10-3-10-4 м/сут длительность промывки может составлять от 3-5 до 25-50 и более лет.

Проектирование ЗСО

Расчет размеров зоны санитарной охраны водозаборов для условий изолированного пласта (с транзитным естественным потоком или без него) рассмотрен нами выше в качестве примера при характеристике общих принципов таких расчетов.

Для взаимодействующих пластов:

а) Если эксплуатируется грунтовый водоносный горизонт при наличии перетекания из нижележащего первого межпластового горизонта, то предполагается, что общая конфигурация ЗСО сохраняется, однако размеры ее уменьшаются. Поэтому рекомендуется производить расчеты следующим образом:

- Расстояние до раздельной точки А :

где  - соотношение проводимости основного (1) и смежного (2) горизонтов, - символ функции Бесселя второго рода первого порядка от мнимого аргумента, - специальный фактор перетекания, рассчитываемый по зависимости .

При незначительной интенсивности перетекания  (как для изолированного пласта), при явном преобладании перетекания или отсутствии естественного потока  

- Полуширина ЗСО .  

- Расстояния  рассчитываются по зависимостям для изолированного пласта, но с использованием вычисленного в п.1 значения .

б) Межпластовые водоносные горизонты, как правило, являются достаточно защищенными от проникновения загрязнений с поверхности земли в связи с наличием перекрывающих слабопроницаемых, с большой сорбционной емкостью, слоев. Однако и для них рассчитывается зона санитарной охраны, в пределах которой ограничивается, главным образом, различного рода деятельность в недрах - в первую очередь, бурение скважин. Расчеты производятся как в случае (а) - с учетом перетекания из смежных горизонтов.

В условиях подчиненной роли естественного потока (по сравнению с расходами перетекания) некоторыми исследователями предлагается рассчитывать зону ограничений в форме круга с радиусом , где W0 - некая интегральная интенсивность перетекания в пределах депрессионной воронки.