ОСОБЛИВОСТІ ОБРОБКИ Й ІНТЕРПРЕТАЦІЇ РЕЗУЛЬТАТІВ ДОСЛІДНИХ РОБІТ В

ОСОБЛИВОСТІ ОБРОБКИ Й ІНТЕРПРЕТАЦІЇ РЕЗУЛЬТАТІВ ДОСЛІДНИХ РОБІТ В УМОВАХ ТРІЩИНУВАТИХ І ТРІЩИННО-КАРСТОВИХ ВОДОНОСНИХ ГОРИЗОНТІВ (частина 1)

Розглядаються питання: Поняття про тріщинуватість та закарстованість гірських порід. Загальна характеристика та особливості тріщинуватих та закарстованих порід з точки зору їх фільтраційних властивостей. Особливості процесу фільтрації рідини в тріщинуватих породах. Водоносні горизонти в тріщинуватих породах. Приклад визначення геофільтраційних параметрів у водоносних горизонтах тріщинуватих порід.

Тріщинуватість Тріщинуватість - явище поділу гірських порід земної кори тріщинами різної протяжності, форми і просторового орієнтування. За походженням тріщинуватість гірських порід поділяється на нетектонічні, тектонічну і планетарну.

Види тріщинуватості Нетектонічна тріщинуватість гірських порід - наслідок розтріскування гірських порід в процесі охолодження (для магматичних порід), ущільнення, дегідратації, розвитку екзогенних процесів (гравітаційного зсуву, різких коливань температури), ведення гірських робіт ( "технологічна" тріщинуватість) і т.п. Тектонічна тріщинуватість гірських порід розвивається в зв'язку з напругою, що виникають в гірських породах під впливом глибинних тектонічних сил. Виділяються тріщини відриву і тріщини сколювання, які утворюють системи, закономірно орієнтовані по відношенню до великих тектонічних структур; в зв'язку з розвитком останніх відбувається розтріскування гірських порід. При планетарній тріщинуватості гірських порід напруги в земній корі виникають під дією планетарних явищ (наприклад, зміни частоти обертання і форми Землі, "твердих припливів" і т.п.).

Наслідки явища тріщинуватості Позитивні наслідки: – розсічення гірських порід тріщинами сприяє проникності земної кори для глибинних розчинів (флюїдів), що несуть рудні компоненти, які, відкладаючись в тріщинах, формують родовища корисних копалин. – глибинні горизонти тріщинуватих порід можуть бути колекторами прісної води, нафти і газу. – тріщинуватість гірських порід забезпечує гарне дроблення гірських порід при відбої гірських порід, що сприяє застосуванню економічних систем розробки з само обваленням руди. Негативні наслідки: – зниження стійкості масивів гірських порід. Характеристики міцності масиву тріщинуватих гірських порід підвищують цементацією, силікатизацією, бітумізацією і смоло ін’єкційним зміцненням .

Схематизація тріщинуватості

Карст та закарстованість Карст — геологічна формація, яка формується в процесі розчинення чи вилуговування гірських порід поверхневими чи підземними водами і формування специфічного (поверхневого та підземного) рельєфу. Термін походить від назви вапнякового плато Карст, або Крас біля Трієсту у Словенії. Карстові явища пов'язані з карбонатними (вапняк, доломіт, крейда, мармур та ін.) та не карбонатними (гіпс, ангідрит) породами.

Схематизація закарстованості

Загальна характеристика Тріщинуваті та закарстовані породи, як правило, характеризуються: істотною неоднорідністю; анізотропією фільтраційних і ємнісних властивостей; різним механізмом утворення тріщинуватості та закарстованості; різною природою пустот у скельних гірських породах.

“Своєрідна пористість” Тріщинуватість розглядається, як «своєрідна пористість», при якій роль зерен грають блоки породи, а роль пор – поділяючі їх макротріщини. Макротріщини є, як би, порами першого порядку. У свою чергу блоки породи можуть бути або непроникні, або пористі, кавернозні або розбиті густою сіткою мікротріщин (пори другого порядку).

“Подвійна” природа пустот Макротріщини (а також окремі тектонічні зони, карстові порожнини, канали) у масиві скельних порід є головними шляхами руху підземних вод і визначають в основному проникність тріщинуватих порід. Для такого середовища характерна: підвищена провідність; низька ємність; висока п'єзопровідність.

“Подвійна” природа пустот Проникні блоки з порожнечами другого порядку (мікротріщини). Для них характерною є: мала водопровідність; підвищена ємність; відносно низька п'єзо провідність. Ці пустоти визначають переважно ємнісні властивості тріщинуватих порід.

Роль карстових порожнин Роль крупних карстових порожнин у загальній ємності тріщинно-карстових порід звичайно невелика, тому, що їхній сумарний обсяг досить незначний у загальному обсязі породи. Так, за даними М. М. Сунцова, обсяг карстових порожнин становить лише 0,3% у загальному обсязі закарстованої породи. Тому карстові пустоти й порожнини розглядаються як аналоги великих тріщин.

ОСОБЛИВОСТІ ПРОЦЕСУ ФІЛЬТРАЦІЇ РІДИНИ В ТРІЩИНУВАТИХ ПОРОДАХ

Основні положення про рух рідини в тріщинуватій породі Наявність в породі двох типів пустот — «подвійної пористості»; Існуванням перетікання між порами й тріщинами, або мікро- і макротріщинами; Наявність рідких великих тріщин, що порушують радіальний або плоский характер потоку та не дозволяють розглядати фільтраційне середовище як суцільне (в таких випадках можливо порушення лінійного закону фільтрації). Наявністю в багатьох випадках яскраво вираженої анізотропії (фільтраційних властивостей тріщинуватого середовища в різних напрямках).

Чисто тріщинувата порода, у якої блоки є непроникними і їхня пористість надзвичайно мала, а основні запаси рідини втримуються в тріщинах. При цьому всі тріщини характеризуються розкриттям одного порядку. Тріщинно-пориста порода — проникність породи переважно визначається проникністю тріщин, а пористість — пористістю (кавернозністю) блоків. Тріщинно-тріщинна, або нерівномірно тріщинувата порода із двома або більше системами тріщин істотно різного розкриття — густа мережу мікротріщин різного генезису та відносно рідка мережа крупних тріщин. Такі структури можуть розглядатися як аналоги тріщинно-пористих порід. При цьому мікротріщини як би відіграють роль пор, а макротріщини — власне тріщин. Типи “пористого середовища”

Структура фільтраційного потоку в тріщинуватих породах а — тріщинувато-пориста порода; б — “тріщинно-тріщинне” середовище, нерівномірно тріщинувата порода з інтенсивним розвитком великих тріщин; в — нерівномірно тріщинувата порода з рідкою мережею великих тріщин. 1 – “середовище 1” – крупні тріщини, 2 – “середовище 2” – дрібні тріщини та пори.

“Перерозподіл” напорів При різкій зміні напору в шарі, оскільки проникність тріщин відносно висока, а пористість мала, незважаючи на високе значення коефіцієнту стискуваності тріщин коефіцієнт п’єзопровідності виявляється досить значним. За короткий час у системі тріщин відбувається перерозподіл напору. У силу малої проникності блоків фільтрація рідини в них відбувається повільно, і напір може більш-менш довго залишатися на рівні початкового. У результаті між напором рідини, що заповнює пористий блок, і напором у тріщинах виникає “стрибок”. Зникнення стрибка, а отже, і перерозподіл напорів буде здійснюватися поступово в результаті перетікання частини рідини із блоків у тріщини. Подібні процеси відбуваються і у «тріщинно-тріщинних» породах

Напрямки вивчення процесів фільтрації в тріщинуватих породах Тріщинувата порода розглядається як суцільне середовище, що має безперервні властивості. Тріщинувата порода розглядається як середовище, розбите системами правильно розташованих тріщин з відомою геометрією процесів фільтрації та параметрами тріщинуватості гірських порід (розкриття тріщин, інтенсивність розтріскування породи, орієнтацію тріщин у просторі) і законами руху рідини в одиночних тріщинах (щілинах). З точки зору теорії фільтрації перший підхід є значно більш загальним. У той же час у ряді випадків при наявності рідкої мережі великих тріщин їхніми розмірами й конфігурацією не можна зневажити без істотних погрішностей у гідродинамічних розрахунках.

Застосування теорії нестаціонарної фільтрації рідини в тріщинувато-пористій породі Основні положення нестаціонарної фільтрації рідини в тріщинувато- пористій породі, засновані на розгляді такої породи, як суцільного середовища, були розроблені в 60-х рр. ХХ ст. Г, І. Баренблаттом та Ю. П. Желтовим. Тріщинувата порода представляється у вигляді двох пористих середовищ, вкладених одне в інше, з порами різних масштабів. Тоді рух рідини можна розглядати роздільно в системі крупних тріщин (середовище 1), що розділяють пористі блоки, і в системі блоків (середовище 2). При цьому між обома середовищами буде відбуватися обмін рідиною.

Схеми гетерогенної структури гірської породи а) Гетерогенна – шарувата б) Гетерогенна – блокова.

Математична модель При прийнятих передумовах фільтрація рідини в такій породі була описана наступною системою рівнянь: де Н1,Н2, К1,К2, n1,n2 – відповідно напір, коефіцієнт фільтрації та пористість середовищ 1 та2; βс1, βс2, β – відповідно стисливість середовищ 1 та 2, рідини; Δ – оператор Лапласа; α – безрозмірний коефіцієнт.

Математична модель α − безрозмірний коефіцієнт, що характеризує інтенсивність обміну рідиною між середовищами. Величина α пов’язана з коефіцієнтом фільтрації, прямо пропорційна питомій поверхні тріщин σ та обернено пропорційна середньому розміру блока l.

Математична модель Як правило, n1<> K2, то n1 ≈ К2 ≈ 0 та виключаючи Н2 з системи отримуємо:

Математична модель При η → 0 рівняння за формою співпадає з рівнянням фільтрації у звичайному пористому середовищі при пружному режимі фільтрації. Даний розв’язок також показав, що рух рідини у тріщинувато-пористому середовищі порівняно з пористим характеризується наявністю часу запізнювання перехідних процесів ( τ ). Час запізнювання тим більший, чим більше співвідношення коефіцієнтів фільтрації двох середовищ, та чим менша величина п'єзопровідності, що пов’язано з великим об’ємом рідини в мало проникних блоках.

Висновок по математичній моделі (наближення результатів) Г.І. Баренблаттом і Ю.I Желтовым було показано, що із часом розв’язок задачі про фільтрацію рідини в тріщинувато-пористій породі асимптотично прагне до розв’язку для звичайного пористого середовища. Тому, якщо час розглянутих процесів (t) достатньо великий в порівнянні з (τ), то для розрахунків можна користуватися звичайними рівняннями фільтрації в пористому середовищі, тобто рівнянням Тейса або Тейса — Джейкоба.

ВОДОНОСНІ ГОИЗОНТИ В ТРІЩИНУВАТИХ ПОРОДАХ З “ПОДВІЙНОЮ ПОРИСТІСТЮ”

Підходи до визначення геофільтраційних параметрів Визначення геофільтраційних параметрів на основі безпосереднього вирішення рівнянь. Визначення геофільтраційних параметрів за методикою для звичайних зернистих середовищ на основі рішення рівняння Тейса - Джейкоба, коли час відкачки значно більше характерного часу запізнювання ( τ ), з використанням асимптотичної частини дослідних закономірностей зміни рівня. При використанні другого підходу слід встановити: – наскільки реальна картина фільтрації відповідає математичній моделі середовища з “подвійною пористістю; – наявність на графіках зміни рівня асимптотичної ділянки, що відповідає рівнянню Тейса-Джейкоба.

Недоліки першого підходу Складність визначення параметрів диференційних рівнянь, що відповідають умовам досліду. Аналітична не прогнозованість характерного часу запізнювання (τ). Громіздкість розв'язку. Значна розбіжність результатів по окремим свердловинам за даними дослідних кущових відкачувань. Тому доцільно використовувати метод Джейкоба

Типовий графік простеження за часом в тріщинно-карстовому водоносному горизонті Іа – ділянка, що відповідає часу вивільненню рідини з крупних тріщин (середовище 1) І – ділянка, що відповідає часу перетоку рідини з середовища 2 до середовища 1 ІІ – ділянка, що відповідає часу вивільненню рідини з дрібних пор та тріщин (середовище 2)

Коротка характеристика ділянок графіка S – lg(t) Ділянка Іа. В окремих випадках може не виявлятись. При її появі за методом Тейса-Джейкоба можна визначити параметри по ділянках Іа та ІІ. Ділянка І. Чим менша різниця в пористості двох середовищ, тим ця ділянка менше виражена на графіку S – lg(t). Практична її тривалість від кількох годин до кількох діб (при цьому вона легко може бути прийнята за ділянку квазістаціонарного режиму). Ділянка ІІ. Квазістаціонарний режим фільтрації

Приклад визначення геофільтраційних параметрів із застосуванням методу Джейкоба Відкачування виконувалось з напірного тріщинно-карстового водоносного пласту пласта з “подвійною пористістю” поблизу р. Оки (за даними досліджень Ф.А.Потемкиной, 1970). Обробка виконана методом часового простеження. Всі ділянки на графіку представлені у повному вигляді.

Визначені геофільтраційні параметри

Інтерпретація результатів Параметри шару, визначенні по ділянках Іa та ІІ, виявляються досить близькими по водопровідності, що свідчить про незначну роль середовища 2 у формуванні проникності. П’єзопровідність, визначена по ділянці 1а, виявляється нереально високою й перевищує значення по ділянці IIа в 10-20 разів. Співставлення величин пружної водовіддачі показує, що середовище 1 (великі тріщини й карстові порожнини) дає лише близько 5—10% від загальної пружної водовіддачі шару. Збіг водопровідностей також свідчить, що на ділянці II ще не позначається вплив притоку з ріки. Цей чинник виявився пізніше (ділянка II, б), коли рівень води поступово стабілізувався. Проведений аналіз підтверджує, що досліджуваний водоносний горизонт характеризується «подвійною пористістю». Розраховані за методом Джейкоба значення коефіцієнтів водопровідності виходять досить надійними. Коефіцієнт п’єзопровідності визначається характером розвитку депресії та потребує перевірки іншими способами простеження.

ОСОБЛИВОСТІ ОБРОБКИ Й ІНТЕРПРЕТАЦІЇ РЕЗУЛЬТАТІВ ДОСЛІДНИХ РОБІТ В УМОВАХ ТРІЩИНУВАТИХ І ТРІЩИННО-КАРСТОВИХ ВОДОНОСНИХ ГОРИЗОНТІВ (частина 2)

Розглядаються питання: Особливості інтерпретації результатів дослідних робіт в умовах тріщинно-пористих водоносних горизонтів. Водоносні горизонти у породах з різко нерівномірною тріщинуватістю. Водоносні горизонти в анізотропних тріщинуватих породах.

Автомодельна функція Шляхом моделювання на ЕОМ (Г.І.Баренблатт, Ю.П.Желтов, І.Н.Кочина,1960) було встановлено, що тільки при досить великому часі відкачки розподіл знижень у тріщиновато-пористому пласті буде відповідати рівнянню Тейса – Джейкоба. Для цього була розрахована спец. «автомодельна функція», що характеризує залежність безрозмірного тиску від параметрів математичної моделі нестаціонарної фільтрації. Отримані результати порівнювались із даними розрахованими для умов пористого середовища.

Параметри “автомодельної функції” Автомодельна змінна Криві побудовані для різних значень При зростанні (що може бути або при η → 0, або при t →∞) розподіл тиску в тріщинуватій породі прагне до розподілу його у звичайному пористому середовищі. Як видно з малюнка, крива депресії в тріщинуватому шарі є більше пологою, ніж у звичайному пористому.

Зона “надпровідності” Аналіз графіку, показує, що в еквівалентному зернистому пласті поблизу дослідної свердловини зниження рівня більше, а на віддаленні менше ніж у тріщинуватому пласті. Радіус такої зони у слабо тріщинуватих пластах змінюється в межах кількох метрів, а в сильно тріщинуватих може досягати 150-200м. Це пов'язано з дренуючим впливом крупних тріщин. Це зона “надпровідності”. Коефіцієнти п'єзопровідності відповідно у першому випадку будуть занижені, у другому – завищені.

Приклади та “залежності” Встановлено, що при невеликій тривалості досліду (відкачування) значення коефіцієнтів водопровідності, що розраховані по площинним графікам S — lg(r) можуть виявитись істотно завищеними. Аналогічна картина буде спостерігатися в інтенсивно тріщинуватих й закарстованих породах, коли розкриття тріщин досить великі, тому, що при високій проникності окремих великих тріщин абсолютні зниження міняються мало в міру віддалення спостережних свердловин від дослідної.

Приклади та “залежності” Незважаючи на те, що з часом розподіли напорів у тріщинувато-пористому та звичайному пористому шарі прагнуть до збігу, деяке розходження залишається. У високо проникних пластах при невеликих зниженнях рівня (перші десятки сантиметрів) розходження можуть виявитися істотними, а коефіцієнти водопровідності, розраховані по площинним графікам, будуть значно перевищувати результат розрахунку по часовим і комбінованим (до 5-10 разів).

Приклади та “залежності” Характерною рисою шарів з інтенсивно розвинутою тріщинуватістю є видиме збільшення розрахованих значень коефіцієнтів п’єзо- (рівне-) провідності в міру віддалення спостережних свердловин від дослідних, що добре видно на графіку ап= f(г) на прикладі Майкайнарської ділянки (Центральний Казахстан)

Залежність отриманих параметрів пласта від відстані до спостережної свердловини

Приклади та “залежності” На графіку добре видно, що зі збільшенням відстані темп наростання значень коефіцієнту рівнепровідності поступово загасає й приблизно з 400 м стає несуттєвим. Аналіз результатів дослідних відкачок в інтенсивно тріщинуватих й закарстованих пластах показує, що в якості розрахункових варто приймати значення коефіцієнтів п’єзо- або рівнепровідності, що отримані по спостережних свердловинах, віддалених від дослідної на відстань не менш 1,5—2h (h — потужність горизонту). Більш обґрунтовані розрахункові значення можуть бути прийняті по графіках а = f(г) на ділянці, де наростання а практично припиняється або стає незначним. Ця задача вирішується при досить великій кількості різновіддалених спостережних свердловин (не менш 5-6 свердловин).

Складність інтерпретації результатів При вирішенні питання про виділення на графіку S — lg(t) асимптотичної ділянки, доводиться обмежуватися чисто якісною інтерпретацією. В умовах, коли графік чітко диференційований, виділення на ньому асимптотичної ділянки II не викликає труднощів. При впливі зовнішніх меж пласта на діагностування графіків ускладнюється, тому, що: – потрібна більша тривалість дослідів, щоб вплив мікро неоднорідності шару вже не позначався; – при великій тривалості дослідів починає позначатися вплив меж, що приводить до деформації та виродження ділянки II для свердловин поблизу границь.

Складність інтерпретації результатів графіків часового простеження На рис. позначені наступні ділянки графіка простеження S – lg(t) : І`– прояв водовіддачі крупних тріщин; І – прояв перехідних процесів, ”подвійна пористість”; ІІ – згладжування напорів між середовищами; ІІІ``- вплив слабо проникних зон; ІІІ```- вплив сильно проникних зон.

Приклади та “залежності” Роль комбінованого простеження Істотну допомогу при аналізі вірогідності отриманих результатів і інтерпретації часових і площинних графіків можуть дати комбіновані графіки S — lg(t/r2). Вони є найбільш зручною формою обробки результатів відкачок із тріщинуватих порід. На них, як правило, пропадає видимість прямолінійності ділянки несправжнього стаціонарного режиму, що добре видно на прикладі відкачки із св. куща 40 на Майкайнарській мульді при порівнянні (співставленні) графіків S — lg(t) і S — lg(t/r2).

Приклади та “залежності” (Майкайнарська ділянка) Схема куща 40 (Майкайнарська мульда). Потужність водоносного горизонту 200м. Потужність верхньої, найбільш обводненої зони 100м.

Приклади та “залежності” (простеження в часі) Характерний графік часового простеження (S — lg(t)) по кущу 40.

Приклади та “залежності” (простеження за площею) Графіки простеження за площею по кущу 40: 1– 23год., 2– 86год.,3– 500год.

Отримані геофільтраційні параметри (простеження за площею)

Приклади та “залежності” (комбіноване простеження) Графіки комбінованого простеження по кущу 40: Промінь Ю по кущу свердловин 1-40м, 2-60м, 3-140м, 4-473м. Промінь С по кущу свердловин 1-60м, 2-120м, 3-43-м, 4-900.

Отримані геофільтраційні параметри (комбіноване простеження)

Приклади та “залежності” (відкачування в умовах рівномірно тріщинуватих пластів) В умовах звичайних рівномірно тріщинуватих шарів з «подвійною пористістю» або чисто тріщинуватих параметри, розраховані по площинних графіках S − lg(r), будуть збігатися з параметрами по графіках S — lg(t) і S − lg (t/r2). Однак площинні графіки повинні будуватися лише на час, що відповідає виходу графіків S — lg(t/r2) на асимптотичну гілку. Відповідно, у таких умовах будуть отримані коефіцієнти п’єзо провідності близькі до реальних. Прикладом подібних умов може служити Розентальска ділянка (Саксонська Швейцарія).

Приклади та “залежності” (відкачування в умовах рівномірно тріщинуватих пластів) Об'єктом випробування був напірний напівобмежений водоносний горизонт у кварцових піщаниках. Графік комбінованого простеження після закінчення 10 хв. стає загальним для всіх трьох спостережних свердловин. Вихід графіка на одну асимптотичну пряму свідчить про відсутність впливу непроникної границі в аналізованому інтервалі часу. Паралельність і лінійність площинних графіків простеження також свідчить про квазістаціонарний режим. Параметри отримані по площинним і комбінованим графікам практично збігаються, що свідчить про їхній дійсний характер. Однак у цьому випадку ефект «подвійної пористості» не фіксується практично й на графіках часового простеження, що зв’язано або з відсутністю цього ефекту, або з дуже маленьким часом запізнювання (τ).

Приклади та “залежності” (відкачування в умовах рівномірно тріщинуватих пластів) Площинне простеження на моменти t: 1 – 1год, 2 – 5год.

Приклади та “залежності” (в умовах рівномірно тріщинуватих пластів) Комбіноване простеження на відстанях r спостережних свердловин: 1 – 140м, 2 – 220м, 3 – 400м.

Отримані геофільтраційні параметри (Розентальська ділянка)

Приклади та “залежності” (Уральська ділянка) Рис. Графіки площинного простеження зниження у відносно рівномірно-тріщинуватому водоносному горизонті при кущовій відкачці з Q = 536 м3/доба на моменти часу t: 1 − 1500хв., 2 − 4380хв., 3 − 9720хв. На часових і комбінованих графіках ефект «подвійної пористості» чітко виражений.

Приклади та “залежності” (Уральська ділянка) Отримані геофільтраційні параметри:

Приклади та “залежності” (Уральська ділянка) Комбіновані графіки виходять на одну асимптотичну пряму, а розраховані параметри збігаються з результатами розрахунку по площинних графіках. Час запізнювання в даному прикладі не перевивав 1,4 —2,9год.

Час “запізнення”

Висновки: У тріщинних середовищах, що характеризуються одною системою пустот або двома, але із близькими фільтраційними властивостями, розрахунок параметрів в умовах наявності границь виконується, як і у звичайних пористих середовищах.

Висновки: Асимптотичні ділянки комбінованих графіків по різних спостережних свердловинах повинні бути паралельні між собою, а абсолютні величини параметрів, розраховані по площинних графіках S — lg(r) істотно завищені. Дійсно, графік комбінованого простеження по кущу 40 являє собою сімейство паралельних прямих. Параметри, отримані по комбінованому та часовим графікам практично збігаються. Найбільші складності виникають при інтерпретації результатів відкачок з обмежених пластів, складених інтенсивно тріщинуватими й закарстованими породами.

Висновки: В умовах сполучення ефекту «подвійної пористості» з різними граничними факторами аномальності при аналізі даних дослідних відкачок можливі наступні варіанти: а) вплив границь проявляється в часових і комбінованих графіках у формі появи кінцевого більше пологої або більше крутої ділянки; розрахункова асимптотична ділянка формується до початку впливу границь; графік має характерну форму; б) вплив границь, не деформує характерної форми графіків, але змінює кутовий коефіцієнт асимптотичної ділянки графіка; в) вплив границь деформує характерну форму графіка, не дозволяючи виділити асимптотичну розрахункову ділянка на часових і комбінованих графіках. В останньому випадку задача розрахунку гідрогеологічних параметрів методом Джейкоба стає невизначеною,

ВОДОНОСНІ ГОРИЗОНТИ У ПОРОДАХ З РІЗКО НЕРІВНОМІРНОЮ ТРІЩИНУВАТІСТЮ

Загальна характеристика У багатьох випадках, особливо в межах древніх щитів і масивів ефузивних, інтрузивних і метаморфічних порід, важливу роль грають окремі відносно рідкі великі тектонічні тріщини, відкриті розломи, зони подрібнення, що мають досить високі фільтраційні властивості являються основними шляхами фільтрації підземних вод. До таких порід відносяться родовища так званих тріщинно-жильних води. У цих умовах розмірами й конфігурацією окремих тріщин зневажити не можна, оскільки фільтраційний потік втрачає радіальний характер

Підхід до розрахунку геофільтраційних параметрів Підхід до розрахунку фільтрації, заснований на конкретному обліку конфігурації й ступеня розкриття окремих великих тріщин у більшості випадків не застосовується, оскільки, з одного боку, конфігурація, розміри тріщин і їхні фільтраційні властивості невідомі, а з іншого боку, закономірності їх зміни настільки складні, що математичні труднощі розрахунку фільтрації в цих умовах стають важко переборними.

Форми прояву впливу великих тріщин 1) зниження рівня у двох різновіддалених від дослідної та розташованих по одному напрямку вздовж тріщини (розлому) спостережних свердловинах досить близькі між собою або навіть однакові; 2) зниження рівня в далекій свердловині більше, ніж у ближній, хоча свердловини розташовані по одному променю; 3) у свердловинах, розташованих на різних променях на одній відстані від дослідної, зниження рівня по абсолютній величині різняться на порядок і більше.

Результати дослідних відкачок із сильно метаморфізованих порід архею (м. Щучинськ Кокчетавської області) Графіки часового простеження

Результати дослідних відкачок із сильно метаморфізованих архею Відкачка із свердловини №44 (Q = 7л/сек). По одному променю на відстанях 25 і 50м від дослідної розташовані дві спостережливі свердловини 74 і 73, Зниження рівня в них на кінець відкачки склали відповідно 13,16 і 14,43м, тобто в дальній зниження було більше, ніж у ближній. Як видно із цих результатів, далека свердловина потрапила в більшу тріщину, а ближня — так звану «оперяючу». Нерівномірність тріщинуватості привела до різкого порушення радіальності потоку. Відкачка зі свердловини №34 (Q = 5,35л/сек). Але одному променю розташовані три спостережливі свердловини на відстанях 25,50 і 150м від дослідної. Зниження рівня відповідно склали 2,03, 2,01 і 1,96м. У той же час при обох відкачках досдіні закономірності зниження рівня в часі має однаковий характер.

Отримані геофільтраційні параметри

Інтерпретація результатів З табл. видно, що при відкачці зі свердловини 34 завищені значення коефіцієнту рівнепровідності виходять завищені у віддаленій від дослідної свердловини ділянці, де фактична крива депресії розташовується нижче розрахункової, а занижені, навпаки, поблизу свердловини, де фактична крива депресії вище розрахункової. Це пов'язане із дренувальним впливом великих тріщин. Дійсно, розрахунок коефіцієнта водопровідності по формулі Дюпюі дав різко завищений результат (див. табл.). У цьому випадку, однак, порушенням радіальності потоку можна зневажити. При відкачці зі свердловини №44 фактичні зниження виявилися істотно більше розрахункових, що свідчить про те, що основний приплив до свердловини відбувається лише по декількох великих тріщинах.

Інтерпретація результатів Випадок, коли порушення радіальності потоку проявляється найбільше характерно, можна ілюструвати результатами відкачки зі свердловини №215 із тріщинуватих эфузивно-осадових порід ордовіку на Обухівському родовищі підземних вод у Кокчетавськоїї області (за даними Б. В. Свиркова). Дослідний кущ складався із двох взаємо перпендикулярних променів по дві свердловини в кожному, розташовані на відстанях 25 і 50 м від дослідної. Один промінь розташований уздовж великої тріщини або зони дроблення, другий — у слабко тріщинуватих породах. Дебіт свердловини дорівнює 6 л/сек. Зниження рівня відповідно: по свердловинах, що розкрила велику тріщину, 16,61 і 12,35м; по свердловинах, що розкрила слабко проникні породи, 0,61 і 0,30м. Як видно, різниця в зниженнях рівня в свердловинах, що розкрили мало проникні породи й тріщину, істотно відмінна й становить відповідно 0,31 і 4,26м. Це свідчить про те, що основна кількість води надходить до свердловини по розкритій тріщині. Дійсно, якщо розрахувати величину Кm по формулі Дюпюі, то по свердловинах, що розкрили тріщину, вона виявляється 13 м2/доба, а в мало проникних блоках 185 м2/доба, що повністю суперечить результатам, отриманим при прокачуваннях відповідних свердловин. Якщо ж розрахувати водопровідність тріщинної зони по свердловинах, що розкрили тріщину, розглядаючи потік у ній як плоскопаралельний і зневажаючи припливом із слабо проникних зон, то з урахуванням двостороннього припливу до дрени при ширині потоку (тріщини) 10м Кm — 1530 м2/доба (чи 765 м2/доба при ширині потоку 20м). Відповідно, у даних умовах порушенням радіальності потоку зневажити не можна, тому що відстані між тріщинами і їхніми розмірами досить великі й порівнянні з відстанями між свердловинами.

Інтерпретація результатів У випадках подібних до відкачка зі св. 34 розрахунок по свердловинах, що потрапила у велику тріщину, може дати різко завищене значення водопровідності, що характеризує по суті проникність тріщини. Остання пов'язана із проникністю шару наступним співвідношенням: К = Ктр.·n, де К и Ктр. — коефіцієнти фільтрації шару й тріщини; n — пористість. Якщо одна зі свердловин потрапила в слабо проникний блок, а друга в тріщину, значення водопровідності буде різко занижено. При розкритті обома свердловинами слабо проникних порід водопровідність шару може, виявитися істотно завищеною. Очевидно, що в розглянутих умовах визначення параметрів на основі площинного простеження зміни рівнів при невеликому числі точок замірів практично неможливо. Однак у ряді випадків можна скористатися загальним графіком S/Q — lg(r), коли за рахунок великої кількості точок, незважаючи на їхнє розсіювання, вдається провести осреднюючу лінію.

Висновок Розглянуті в даному розділі умови можна охарактеризувати як крайній граничний випадок середовища з «подвійною пористістю». Природно, що р таких умовах час запізнювання може бути дуже великий. Тому в ряді випадків досягнення квазістаціонарного режиму виявляється практично неможливим, а отже, завдання визначення параметрів за даними дослідних робіт по суті, нездійсненно.

ВОДОНОСНІ ГОРИЗОНТИ В АНІЗОТРОПНИХ ТРІЩИНУВАТИХ ПОРОДАХ

Загальні положення У роботах Е. М. Смехова, Е. С. Ромма й інших дослідників показано, що у формуванні загальної тріщинуватості гірських порід провідну роль грають тектонічні тріщини. Їх характерними рисами є системність і певна орієнтація в просторі. Найчастіше орієнтування більших тріщин збігається із простяганням порід. Тому для тріщинуватих гірських порід характерна анізотропія їхніх фільтраційних властивостей. У плані визначення розрахункових гідрогеологічних параметрів з урахуванням анізотропії гірських порід найбільший інтерес представляє однорідна прямолінійна анізотропія, коли напрямок головних осей не міняється при зміні координат і властивості середовища залишаються незмінними від точки до точки. У випадку неоднорідної криволінійної анізотропії вона повинна бути зведена до однорідної прямолінійної, інакше можливості розрахунку параметрів обмежені так само, як і в умовах різкої нерівномірної тріщинуватості.

Метод ізотропної деформації простору Основним методом рішення фільтраційних завдань в анізотропних породах є метод ізотропної деформації простору. Шляхом підстановки yі = const хіКі1/2 рівняння фільтрації в анізотропному середовищі приводиться до рівнянь для ізотропного середовища. Рішення диференціального рівняння несталої фільтрації в шарі із прямолінійною однорідною анізотропією отримане Н. К. Гавич для умов радіального потоку при трансформації однієї з осей координат у вигляді [34]: де Кх і Ку — коефіцієнти фільтрації по головних осях координат х та у; r − радіус-вектор у системі координат х та у, При цьому приймається, що об'ємна інтенсивність тріщинуватості (або водовіддача) залишається постійною незалежно від обраного напрямку: де ах ау — коефіцієнти п’єзопровідності по різним осям анізотропії.

Метод ізотропної деформації простору Аналогічний вираз, але при трансформації обох осей координат отримаий Е, С. Роммом. Як і у звичайному ізотропному шарі, за умови, що експонентна функція може бути замінена логарифмічної, тоді вираз за умови трансформації осі х може бути записаний у вигляді: Дані залежності показують, що в анізотропному шарі в умовах квазістаціонарної фільтрації темп зниження рівня не залежить від напрямку й визначається середнім геометричним значенням коефіцієнту фільтрації, який можна розглядати як його ефективну величину:

Метод ізотропної деформації простору Величина зниження рівня в анізотропному шарі залежить від положення точки, у якій визначається зниження, стосовно дослідної свердловини й головних осей анізотропії. З огляду на рівність, вираження для зниження рівня на головних осях анізотропії приймають вид: Таким чином, у свердловинах із прямолінійною неоднорідною анізотропією основні розрахункові параметри по осях анізотропії можуть бути визначені способом Джейкоба з використанням всіх трьох його модифікацій. Розрахункові формули наведені в табл.

Для визначення параметрів з використанням всіх модифікацій способу Джейкоба необхідно мати на кожній головній осі анізотропії х и у не менш трьох спостережних свердловин. У противному випадку може бути використаний тільки спосіб часового простежування. Критерієм необхідності врахування анізотропії при обробці результатів дослідних відкачок є витягнутість і еліпсоподібна форма воронки депресії з істотним розходженням довжин півосей еліпса. Однак питання про кількісну оцінку погрішностей, що виникають при ігноруванні анізотропії, у загальному випадку не вирішений. Тому можлива погрішність повинна оцінюватися в кожному конкретному випадку, після чого можна встановити необхідність врахування анізотропії.

Загальні висновки 1. Тріщинуваті й закарстовані породи в більшості випадків характеризуються подвійною природою пустотності, що приводить до зміни ефективної водовіддачі в процесі дослідного відкачування. У зв’язку із цим асимптотичні ділянки дослідних закономірностей зміни рівня, які можуть бути апроксимовані рівнянням Тейса — Джейкоба, формуються з деяким запізнюванням х у порівнянні зі звичайними зернистими шарами, так само як це має місце в безнапірних водоносних обріях при ефекті Болтона. Час запізнювання виходу графіків на асимптотичну ділянку змінюється в широких межах і є величиною практично не прогнозованою. 2. Вибір розрахункових ділянок часових і комбінованих графіків виконується по суті на основі якісного аналізу дослідних закономірностей зміни рівнів у процесі відкачок, тому, що критерій контрольного часу в даних умовах не може бути застосований. 3. Найкращі результати при діагностуванні розрахункових ділянок графіків дає комбіноване простежування. Комбіновані графіки залежно від структури тріщинуватого або тріщинно-карстового середовища й співвідношення фільтраційних і ємнісних властивостей різних типів порожнеч можуть бути представлені: а) загальним напівлогарифмічним графіком, що формується по суті без запізнювання (ефект «подвійної пористості» відсутній або практично не проявляється); б) графіками, аналогічними графіками Болтона, із загальною асимптотичною ділянкою, що формується із запізнюванням; в) сімейством графіків з паралельними асимптотичними ділянками, що формуються із запізнюванням.

Загальні висновки 4. У шарах з різко нерівномірною тріщинуватістю у зв'язку з можливим порушенням радіальності потоку коефіцієнти водопровідності можуть бути отримані лише по часовим і комбінованим графікам. Однак час досягнення квазістаціонарного режиму може виявитися дуже значним. Площинне простеження рівня, як правило, не застосовується, лише в окремих випадках вдається використовувати загальний графік S/Q — lg(t).У цих умовах неможливо також визначення дійсного коефіцієнта п’єзопровідності. 5. Визначення параметрів анізотропних шарів може бути виконано звичайними методами, але з урахуванням зміни форми потоку. Тому всі графіки варто будувати роздільно для свердловин, розташованих на різних осях анізотропії. 6. У зв'язку із запізнюванням формування асимптотичних ділянок для аналізу ступеня впливу границь критерій наведеної відстані (гпр) може бути використаний лише при невеликих значеннях τ. Факт впливу границь може додатково встановлений ­ по початку появи аномальної ділянки, що буде залежати від положення свердловини відносно межі (границі), що не спостерігається при впливі «подвійної пористості».