/>
Р.С. Шенгелов
Покабудем говорить об одной разведочно-эксплуатационной скважине. По даннымстабилизировавшейся опытно-эксплуатационной откачки имеем уже неизменнуюудельную срезку:
/>
Казалосьбы, теперь можно дать прогноз понижения в водозаборе при заявленном дебите:
/>
Однако,для этого нужно быть уверенным, что величина /> не зависит от дебита, т.е. сохранитсвое значение при />, который чаще всего больше опытного(хотя и необязательно). В каких условиях этого можно ожидать?
— если от дебита (т.е. и от понижения) не зависят параметры водоносной системы ихарактер действия граничных условий. Например, стационар в Звенигороде:
/>
/>
Видно,что при «устойчивых» /> величина /> не должна меняться при любыхдебитах. Но ведь при увеличении дебита воронка углубляется и расширяется — следовательно, в нее попадут новые элементы опробуемой водоносной системы,которые окажут свое влияние на характер связи понижения и дебита (например,зоны с существенно отличными параметрами проводимости или перетекания).
ПоэтомуОЭО проводится в несколько «ступеней», т.е. при нескольких значенияхдебита; затем строится ИНДИКАТОРНАЯ КРИВАЯ или «КРИВАЯ ДЕБИТА» — график в координатах />.
Еслиудельная срезка /> действительно=/>, то связь /> и /> линейная, график являетсяПРЯМОЙ линией (рис. 1).
/> Рис. 1
Скольконужно «ступеней» для подтверждения линейности связи />? Строго говоря,достаточно двух, т.к. формально существует точка />= 0 при />= 0. На практике предпочитают провестивсе же три ступени.
Однако,в реальных условиях связь /> часто НЕЛИНЕЙНА, причем обычно /> возрастает сростом /> (криваяимеет выпуклость вверх). Генетические причины нелинейности кривой дебитаразнообразны.
БЕЗНАПОРНЫЕПОТОКИ: проводимость зависит от мощности (глубины) потока />. Поэтому, чем большедебит опробования, тем больше понижение — тем меньше /> и, следовательно, тем меньшепроводимость />.Для таких условий возможно аналитическое описание формы кривой дебита. Общийвид связи /> и /> для стационарныхрадиальных потоков:
/>,
где/> - радиальнаякоордината точки наблюдения, /> - «радиус питания» (при />).
Соответственнопонижение в работающей скважине />.
Аналитическийвид выражения для /> зависит от конкретной расчетнойсхемы — например, при работе скважины на расстоянии />от уреза несовершенной реки (спараметром сопротивления ложа/>) />.
Дляусловий безнапорного потока следует принимать />(рис.2), откуда />.
Таккак />то />
Отсюда:Q = />Sс — />Sс2= />Sс — />Sс2.Это уравнение параболы в координатах />(рис. 3).
/> /> Рис. 1. Рис. 2. /> /> /> />
Дляиспользования такой кривой в целях прогноза (определение ожидаемого /> при расчетномэксплуатационном дебите />) нужно ее экстраполировать,следовательно, нужно определить ее КОЭФФИЦИЕНТЫ. Это можно сделать путемобычного регрессионного анализа, но для этого нужно бы иметь побольшеэкспериментальных точек — малореально, так как дорого и хлопотно.
Можноприменить линейную анаморфозу в виде />.
Чтотакое/>? Этоудельный дебит />(величина,обратная удельной срезке).
Итак,если причиной нелинейности кривой дебита является именно зависимостьпроводимости от понижения в безнапорных потоках, то в координатах /> долженполучаться линейный график (рис.4). Это важнейший диагностический признак!
Скольконужно ступеней дебита, чтобы подтвердить линейность этого графика? Три, так какесть неизвестный свободный член.
Проведяминимум три ступени откачки с разными дебитами, получаем возможность определитьпрямо с графика коэффициенты прямой /> и />. После этого для прогноза пониженияпри заявленном дебите решаем квадратное уравнение:
/>
относительно/> исравниваем его с допустимым.
/> Рис. 4
Другаяраспространенная причина нелинейности индикаторного графика — возникновениеявлений ТУРБУЛЕНТНОСТИ в прискважинной зоне; при этом возникают дополнительныепотери напора, величина которых зависит от дебита.
Пример,показывающий высокую действительную скорость при входе подземных вод в стволскважины — учебная откачка на Звенигородском полигоне:
— Дебит Q = 40 л/с ≈ 3500 куб.м/сут
— Радиус фильтрового интервала rф = 0.15 м
— Длина рабочей части фильтра lф ≈ 15 м
— Площадь боковой поверхности рабочей части Fф = 2p rфlф≈ 14 кв.м
— Скорость фильтрации на боковой поверхности vф = Q / Fф =3500 / 14 ≈ 250 м/сут
— Действительная скорость на боковой поверхности (при активной трещиноватостипорядка nакт ≈ 3-5%):
uф= vф/nакт ≈ 5000-8300 м/сут ≈ 6-10 см/сек!
Этоогромная скорость для подземных вод. Прямым следствием является постояннонаблюдаемый при учебных откачках вынос тонкой карбонатной взвеси в откачиваемойводе; расчетный радиус центральной скважины уже сейчас превышает фактическийрадиус бурения. На другом учебном кусте несколько лет назад вышла из строяцентральная скважина в связи с осадкой технической обсадной колонны; расчетныйрадиус этой скважины по последним оценкам составлял около 5 м (!), чтосвидетельствует о значительном суффозионном выносе и, возможно, расширениитрещин и карстовых каверн в прискважинной зоне.
Возможностьподобного рода негативных последствий при чрезмерно высоких скоростях входаводы в ствол скважин служит основанием для ограничения допустимой нагрузки наодну скважину, которая специально обосновывается с учетом строенияводовмещающих отложений.
Призначимом проявлении турбулентных составляющих потерь напора используетсядвучленная зависимость Дюпюи:
/>, откуда/>,
т.е.подобный генезис криволинейности графика /> должен подтверждаться линейнымхарактером связи /> (рис. 5).
Опятьнужно минимум три ступени для доказательства линейности, так как естьнеизвестный свободный член.
Пографику находим коэффициенты a и b. Для прогноза понижений при заявленномдебите решается уравнение
Sc= aQзаявл + bQ2заявл ,
либоможно экстраполировать прямую на графике до Qзаявл и получить φэ.
/> Рис. 5
Естьеще целый ряд причин, заметно осложняющих форму кривых дебита:
— изменение сопротивления прискважинной зоны (размыв, разрушение стенок скважины,кольматация фильтра глинистыми частицами, выносимыми из заполнителя трещин ит.д.) — совершенно непрогнозируемая вещь !;
— изменение характера действия границ — например, ограниченный расход реки,частично перехватываемый при ОЭО;
— неоднородность пласта по вертикали…
Ктому же, эти причины могут проявляться совместно, т.е. очень часто нельзя или трудноприменить стандартные приемы интерпретации типа вышерассмотренных. Что делать?
Пробуютразные системы координат, чтобы найти линейную связь между /> и />, затем как-то ееобъясняют с генетических позиций и по ней экстраполируют понижения на величину />. Понятно, чтотакие формальные построения весьма уязвимы, поэтому рекомендуют ОЭО проводитьпри дебите, максимально близком к потребности, чтобы уменьшить рискэкстраполяции по дебиту.
ОБЩИЕЗАМЕЧАНИЯ ПО ГИДРАВЛИЧЕСКОМУ МЕТОДУ (в стационарной постановке ОЭО): в принципесильный инструмент, так как /> определяется экспериментально, пофакту, а не частям. Но есть и явно уязвимые места:
— далеко не всегда ясны причины возникновения того или иного характера кривыхдебита, так как «по определению» — месторождение имеет сложныеусловия; отсюда риск экстраполяции.
— кроме того, этот метод чрезвычайно консервативен — подсчет запасов возможентолько для конкретных опробованных скважин, так как /> является индивидуальнойхарактеристикой скважины!
Акак быть, если будущий водозабор должен состоять из нескольких скважин?
Приходитсяпроводить ОЭО из каждой (!) скважины системы, чтобы получить n2 удельныхсрезок:
/> (удельная срезкав i -ой скважине от действия j -ой)
Затемдля каждой скважины рассчитывается ожидаемое понижение при заявленном дебите попринципу суперпозиции:
/>
(еслискважины равнодебитные, то />).
Затемпроверяем соответствие получаемых и допустимых понижений по каждой скважине.Если где-то что-то не сошлось: в гидродинамическом методе легко изменить (вуме!) схему расстановки или количество скважин, а при гидравлическом? Нужнобурить реальные новые скважины, проводить в них ОЭО, снова считать,сравнивать.....
Список литературы
Дляподготовки данной работы были использованы материалы с сайта web.ru