Гидродинамические особенности глубоко-залегающих водоносных горизонтов
logo1-color


Гидродинамические особенности глубоко-залегающих водоносных горизонтов

Глубокозалегающие водоносные горизонты, относимые обычно к зоне «застойного режима» или «весьма замедленного водообмена», характеризуются рядом особенностей, в существенной степени отличающих их от горизонтов зоны активного водообмена. Некоторые из этих отличий вполне ясны - повышенные температура, минерализация, газонасыщенность подземных вод, другие не столь очевидны. Вместе с тем, методики изучения и оценки эксплуатационных запасов тех и других горизонтов в большинстве случаев практически не отличаются. Некоторые непринципиальные отличия связаны обычно с большой глубиной залегания, определяющей высокую стоимость скважин и недоступность для некоторых поверхностных геофизических методов.

В настоящей работе мы рассмотрим в основном особенности терригенных водоносных горизонтов, к которым приурочено большинство месторождений промышленных и теплоэнергетических вод, а также многие месторождения минеральных вод.

Методика учета отличительных свойств самих подземных вод подробно рассмотрена в наших предыдущих работах [2, 3]. Поэтому здесь мы остановимся в основном на особенностях самих коллекторов. Породы, слагающие глубокие водоносные горизонты, обычно уже претерпели значительные преобразования в ходе своей геологической истории, достигнув различных стадий эпи- и катагенеза. В результате этих преобразований сформировалась своеобразная структура пород-коллекторов, характеризующаяся высокой пористостью, достигающей 0,3 и более, и сравнительно низкой проницаемостью (Кф не превышает долей или первых м/сут). Это кажущееся несоответствие объясняется чрезвычайно малыми размерами пор. Последнее определяет очень большую величину внутренней удельной поверхности таких пород, достигающей десятков тысяч кв.см на куб.см и даже более.

Несмотря на то, что поверхностные силы взаимодействия вод и пород в значительной мере подавлены вследствие высоких температур и минерализации, они остаются достаточно большими, чтобы оказывать заметное влияние на движение подземных вод в глубоких горизонтах, ограничивая область применения потенциального закона фильтрации.

Анализ полей распределения приведенных напоров в глубоких горизонтах Западной Сибири, Волго-Уральской области, Прикаспийской впадины и т.д. показал, что они очень хорошо коррелируются с полями неотектонических движений, иногда до полного совпадения. Например, в районе Колпашево (Западная Сибирь) перепады напоров между скважинами практически полностью совпадают по величине и знаку с разностью амплитуд неотектонических движений (рис.1).В Волго-Уральской области максимальные значения приведенных напоров в эйфельско-живетском водоносном комплексе приурочены к тектоническим сводам (Токмовский, Татарский),а минимальные - к впадинам. Кстати, к сводам приурочены и максимальные значения минерализации рассолов, хотя никаких предпосылок к их разбавлению «по пути движения» не существует (рис.2).

statia-2-ris-1-2

Таким образом, мы видим, что наличие напорного градиента еще не доказывает наличия движения подземных вод. Этот вывод подтверждается и данными Ю.П.Гаттенбергера [4], изучавшего диффузионные ореолы рассеивания на месторождениях углеводородов в широтном Приобье и обнаружившего отсутствие тылового и лобового эффекта, несмотря на наличие уклона поверхности водо-нефтяного контакта.

Интересно отметить, кстати, что расчеты любыми существующими методами показывают, что тектонические движения не могут вызвать изменение напоров в водоносных пластах при любых реальных параметрах, так как их релаксация должна происходить практически одновременно с их образованием .Тем не менее мы видим, что на самом деле этого не происходит.

Позднее нарушение потенциального закона фильтрации при малых напорных градиентах теоретически обосновал [1].

Фактические данные, приведенные в вышеупомянутых работах, показывают, что при градиентах порядка n.10-4 1/м движение подземных вод при Кф порядка 1м/сут никак не проявляется даже за геологически значимое время. Важно отметить, что именно такие градиенты характерны для большинства районов распространения описываемых горизонтов.

statia-2-ris-3На рис.3 приведен схематический график зависимости скорости фильтрации от величины напорного градиента, учитывающий отклонения от закона Дарси при малых градиентах. На графике выделяются четыре участка, соответствующие разным режимам фильтрации. Два последних характеризуют режимы переходный от ламинарного к турбулентному (3) и чисто турбулентный (4).В природных условиях эти режимы практически не встречаются, и в данной работе мы на них не будем останавливаться. Участок (2) характеризуется прямолинейной зависимостью скорости от градиента, что соответствует закону Дарси, правда с поправкой на величину i0. В зоне активного водообмена величина уклона потока обычно значительно превышает i0, и закон Дарси выполняется с необходимой точностью. В глубоких горизонтах он выполняется только при их эксплуатации, да и то не всегда. Так, в удаленных частях депрессионных (репрессионных) воронок неучет этого обстоятельства может приводить к значительным погрешностям в оценке величины влияния эксплуатации на другие водозаборы или полигоны захоронения, причем в сторону завышения. Как правило, это создает некоторый запас прочности, что позволяет использовать существующие формулы и программные средства в инженерных расчетах.

К сожалению, прямое определение величины i0в полевых условиях вызывает значительные, чаще всего непреодолимые трудности. Автору только дважды удалось оценить порядок величины i0 -по времени запаздывания реакции удаленной (32км) наблюдательной скважины от работы водозабора в эйфельских песчаниках в Пермском Прикамье в течение 30 лет, и по изменению разгрузки через толщу озерных глин в Араратской котловине. В обоих случаях порядок величины был одинаковым и составлял

Кф.i0 =n 10-4 (м/сут) ( 1 )

Этот порядок величины подтверждается и при анализе региональных данных по Западной Сибири, Волго-Уральской области, Азово-Кубанскому бассейну и другим районам.

Таким образом, ф-ла ( 1 ) может использоваться для ориентировочной оценки порядка величины io.

Возвращаясь к рис.3, рассмотрим теперь первый участок графика. Как видно, на этом участке зависимость скорости фильтрации от напорного градиента имеет нелинейный характер, т.к. Кф является функцией градиента. Размеры этого участка зависят от ряда факторов - размера пор(в первую очередь) и структуры порового пространства, минерального состава пород, влияющего на силу поверхностного взаимодействия, свойств насыщающего флюида (температура, минерализация).

Для тонкой капиллярной трубки форма и размеры этого участка могут быть рассчитаны аналитически [1]. Однако для реальной поровой среды в настоящее время это сделать невозможно.

В целом, при прочих равных условиях, длина и форма этого участка зависят от поперечного сечения пор - чем оно меньше, тем длиннее этот участок графика. С ростом напорного градиента в процесс фильтрации вовлекается все большее количество пор все меньшего размера, а также все большее число пропластков, сложенных более тонкозернистым материалом. Это будет приводить к искажению формы и изменению размеров этого участка графика. Поскольку реальная геометрия порового пространства не поддается математическому описанию, рассчитать длину этого участка и его форму невозможно, т.е. график v=f(i) здесь не может быть описан какой-либо математической зависимостью.

Выделенная на рис.3 точка i0 строго говоря не является начальным градиентом фильтрации и имеет чисто математический смысл. Вообще говоря, среди гидрогеологов нет единого мнения о наличии или отсутствии такого градиента. Тем не менее, имеющийся фактический материал показывает, что при напорном градиенте меньшем i0 или близком к нему фильтрационное движение подземных вод если и существует, то настолько медленное, что оно реально не проявляется даже за геологическое время, и для практических целей им можно пренебречь.

С другой стороны, если фактический напорный градиент в несколько раз превышает i0 , т.е. Кф.i>10-3,с достаточной для практических целей точностью можно использовать для инженерных расчетов все аналитические и программные средства, базирующиеся на потенциальном законе фильтрации.

В заключение заметим, что нелинейность уравнений фильтрации в упомянутом диапазоне не позволяет использовать при расчетах принцип суперпозиции.

Рассмотрим теперь еще одно отличительное свойство глубоких водоносных горизонтов, которому в литературе уделено неоправданно малое внимание и которое вообще не учитывается на практике при гидрогеологическом изучении и оценке эксплуатационных запасов этих горизонтов.

Эксплуатация глубоких водоносных горизонтов нередко сопровождается изменением пластовых давлений на сотни метров водяного столба. В результате в пласте активизируются, по крайней мере, два процесса, малозаметные в водоносных горизонтах зоны активного водообмена из-за слабого гидродинамического воздействия на пласт.

1. Значительное и достаточно быстрое снижение пластового давления вызывает соответствующее увеличение эффективного давления на водоносный пласт, которое во многих случаях может превысить предел упругости его глинистых фрагментов (включая цемент),особенно в молодых, слабо консолидированных отложениях. В результате этого начнется отжим воды из глин, в том числе физически связанной, носящий необратимый характер. Следствием этого процесса будет увеличение «рабочей» емкости водоносного горизонта по сравнению с упругим режимом фильтрации в процессе длительных, достаточно мощных откачек или эксплуатации.

Хорошим примером в этом отношении могут служить результаты 10-летней зксплуатации Нефтечалинского месторождения иодных вод, в течение которой обобщенная емкость продуктивной толщи увеличилась более, чем в 10 раз.

Важно отметить, что рассматриваемый процесс является хотя и длительным, но конечным во времени, причем скорость отжима воды из каждого элемента пласта будет сначала возрастать, причем не пропорционально давлению, а затем замедляться по мере потери глинистым материалом воды, особенно физически связанной.

Неупругие деформации пород могут служить причиной часто наблюдаемого несоответствия параметров, рассчитанных по кривым снижения и восстановления давления (уровня) при откачках. При этом, параметры, рассчитанные по кривой восстановления будут соответствовать текущему состоянию пласта, а рассчитанные по кривой снижения - состоянию в процессе водоотбора. Это объясняется необратимостью неупругих деформаций - обратного поглощения воды глинами в процессе восстановления давления не происходит. Однако, к параметрам, рассчитанным по кривой снижения, следует относиться с большой осторожностью, т.к.рост обобщенной емкости вызывает выполаживание кривой вплоть до ложной стабилизации, обусловленной реологическими свойствами глин, такими, например, как упругое последействие и наследственная ползучесть.

Следует иметь в виду, что в процессе нагнетаний вышеописанный механизм не работает, и для расчета параметров и прогноза нагнетания можно использовать обычные методики.

2. Второй процесс также обусловлен большими изменениями пластовых давлений, но связан с фильтрационной неоднородностью водовмещающих пород, причем на всех уровнях - от микро- до макронеоднородности. Заключается он в том, что гидродинамическое возмущение распространяется по объему пласта неравномерно, захватывая сначала более, а затем менее проницаемые фрагменты. В результате этого поле пластовых давлений приобретает очень сложную пространственную структуру с большими перепадами напоров между отдельными точками водоносной системы, значительно превышающими i0 даже для глинистых разностей породы. В результате в процесс формирования потока вовлекается значительный объем пласта, включая слабопроницаемые глинистые отложения, в том числе мелкие прослои, линзы и даже глинистый цемент. Внешние проявления этого процесса похожи на предыдущий случай - в процессе откачки будет происходить увеличение работающей емкости и замедление темпа снижения пластового давления. Однако, в отличие от предыдущего случая этот процесс является частично обратимым. При этом степень его «обратимости» зависит от степени литификации породы. Так, в крепких литифицированных породах, таких, как алевролиты, аргиллиты, известняки и т.д., процесс будет полностью обратимым, а в слабо литифицированных глинистых породах – в большей или меньшей степени необратимым, так как потеря воды будет приводить к изменению их внутренней структуры.

Большой перепад напоров может приводить к прорыву перегородок между открытыми и закрытыми порами и, соответственно, к вовлечению закрытой пористости в процесс формирования эксплуатационных возможностей водоносного горизонта, как при отборе, так и при закачке стоков в пласт.

С данным процессом по-видимому связано иногда наблюдаемое кратковременное увеличение приемистости нагнетательных скважин, что может быть связано с открытием новых путей для фильтрации закачиваемых в пласт жидкостей.

Поскольку внешние проявления обоих рассмотренных процессов близки, выделить влияние того или другого из них при проведении полевых исследований достаточно трудно. В принципе, если параметры, рассчитанные по кривым падения и восстановления давления близки между собой, то можно полагать отсутствие или слабое проявление первого из рассмотренных процессов. В противном случае - наоборот.

С учетом изложенного выше можно сделать некоторые выводы, имеющие на наш взгляд практическое значение.

1. Невозможно рассчитать скорость водообмена в глубоких водоносных горизонтах при напорных градиентах меньших или близких к величине i0 с помощью существующего математического аппарата. Такие градиенты характерны для большинства осадочных бассейнов. Исключение составляют бассейны с элизионным режимом, такие, например, как Терско-Кумский.

2. Калибровка математических моделей глубоких водоносных горизонтов путем решения обратных задач невозможна, так как все существующие программные средства разработаны исходя из потенциального закона фильтрации, который в ненарушенных эксплуатацией условиях как правило не выполняется.

3. Не рекомендуется использовать параметры, рассчитанные по кривым снижения уровня при откачках, для прогноза нагнетаний в слабо консолидированные коллекторы.

4. При прогнозных расчетах добычи подземных вод из водоносных горизонтов, содержащих заметное количество глинистых минералов, необходимо учитывать их обезвоживание при снижении пластового давления.

В заключение отметим, что в данной работе автором рассмотрены только некоторые из особенностей глубокозалегающих водоносных горизонтов, отличающих их от водоносных горизонтов зоны активного водообмена, а именно те из них, которым в имеющейся литературе уделено неоправданно малое внимание.

 

Список литературы.

  1. Арье А.Г. Физические основы движения подземных вод. М., Недра, 1984 г., стр. 139.
  2. Боревский Л.В. Процессы движения подземных вод пластовых водонапорных систем в породах-коллекторах. В кн. Методы изучения и оценки ресурсов глубоких подземных вод. М., Недра, 1986 г., стр. 119-128.
  3. Боревский Л.В. Анализ влияния физических деформаций коллекторов на оценку эксплуатационных запасов подземных вод в глубоких водоносных горизонтах. В кн. Методы изучения и оценки ресурсов глубоких подземных вод. М., Недра, 1986 г., стр. 374-394.
  4. Гаттенбергер Ю.П. Гидрогеология и гидродинамика подземных вод. М., Недра, 1971 г., стр. 284.