Определение гидрогеологических параметров по данным наливов и нагнетаний

Под опытным наливом понимается подача воды в скважину, при которой уровень воды находится в пределах участка опробуемых пород. Если в процессе опыта уровень воды в скважине нахо­дится выше верхней границы участка опробуемых пород, то такой опыт называют опытным нагнетанием. Опытные наливы и нагне­тания в скважины проводят для изучения и оценки водопроницае­мости обводненных пород, когда откачки затруднены (глубокое залегание подземных вод, слабая водоотдача, невозможность обес­печения ощутимых понижений и т.п.), а также при изучении филь­трационных свойств слабообводненных и необводненных пород зоны аэрации.

Сравнительная простота проведения опытных наливов и нагне­таний в скважины обеспечила их широкое применение, особенно для целей гидротехнического строительства. Опытные наливы и нагнетания широко применяют также для определения водопро­ницаемости и удельного водопоглощения трещиноватых скальных пород, выявления необходимости цементации скальных оснований под инженерными сооружениями, выбора противофильтраци- онных мероприятий, проверки качества цементационных работ и др.

Опытные нагнетания воды в скважины

Опытные нагнетания воды в скважины являются основным спо­собом оценки водопроницаемости неводоносных трещиноватых скальных и полускальных пород, так как в этих породах можно от­носительно просто и надежно изолировать опробуемую зону сква­жины от остальной ее части и сохранить хорошее качество изо­ляции даже при значительном (> 30 м) напоре. Опытные наливы целесообразно применять в рыхло-связных и трещиноватых по­родах коры выветривания, относительная проницаемость которых характеризуется высоким удельным водопоглощением и где по­этому трудно обеспечить надежную изоляцию опробуемого участка и избыточный напор для нагнетания.

Обычно при наливах и нагнетаниях не сооружают много наблю­дательных скважин, желательно иметь хотя бы одну для контроля изменений уровня. Режим фильтрации в процессе опытов может быть установившимся, если опыт ведут до тех пор, пока расход и напор не стабилизируются, и неустановившимся, если они не ста­билизируются. Это и определяет выбор соответствующих расчетных схем и формул при обработке результатов опытов.

По данным нагнетаний и наливов в скважины определяют ус­ловную характеристику водопроницаемости скальных пород — удельное водопоглощение q, под которым понимают количество воды, поглощенное породой в 1 мин на 1 м длины опробуемого участка скважины при напоре, равном 1 м. Для сопоставимости ре­зультатов опытные нагнетания ведут обычно поинтервально (стан­дартный интервал опробования — 5 м) при нескольких ступенях напора (чаще всего 5, 10 и 15 м) до стабилизации расхода.

Схемы движения воды при нагнетаниях и откачках различаются только тем, что в первом случае вода движется от скважины, а во втором — к скважине. Поэтому для определения параметров по ре­зультатам нагнетания используют те же расчетные формулы, что и при откачках, лишь заменяя в них понижение уровня повыше­нием.

Ориентировочно коэффициент фильтрации k можно определять по величине удельного водопоглощения q с использованием пере­ходного коэффициента а, устанавливаемого для массива изучаемых пород на основе совместного проведения опытных откачек и на­гнетаний, т.е. k = aq. Обычно коэффициент а имеет значение от де­сятых долей до нескольких единиц.

Наливы и нагнетания применяют для опробования как обвод­ненных, так и необводненных пород. В первом случае опыты вы­полняются быстрее и проще, результаты опытных наливов и нагне­таний можно контролировать откачками (при этом обеспечивается возможность обоснованного распространения параметров, уста­новленных при откачках, на участки и зоны, опробованные более дешевыми и быстрыми способами — наливами и нагнетаниями).

В необводненных породах проведение опытов усложняется, и их продолжительность увеличивается, а результаты практически нельзя контролировать, так как нагнетание в неводоносные трещи­новатые породы является единственным методом оценки их филь­трационных свойств. Величину напора при опытах в необвод­ненных трещиноватых породах условно отсчитывают от середины испытуемого интервала опробования. Для более тщательной очистки необводненного интервала опробования скважин перед нагнетаниями целесообразна его проходка с обратной промывкой при бурении.

Методика проведения наливов и нагнетаний в скважины.

Приме­няемое для опытов оборудование должно обеспечивать надежную изоляцию интервала опробования, непрерывную подачу в него в достаточном количестве воды и возможность регулирования и ре­гистрации расходов и напоров в процессе опыта.

Опытные нагнетания обычно проводят по такой схеме. Монти­руют систему водоснабжения опытной установки. Собирают рас­пределительное устройство и тампон и выполняют другие подгото­вительные работы. Замеряют уровень воды в скважине и проверяют ее глубину, после чего в обводненных породах производят про­качку, а в необводненных — промывку, и наблюдают за восстанов­лением уровня воды. Опускают в скважину тампон и разжимают его на нужной глубине. Подключают тампон к распределительному устройству и проверяют качество изоляции интервала опробования тампоном и работу всей установки путем кратковременного нагне­тания.

Проводят контрольный замер уровня воды в трубах, на которых смонтирован тампон (статический уровень), и приступают к нагне­таниям; их выполняют без перерыва на трех ступенях напора (обычно 15, 10 и 5 м). Нагнетание на каждой ступени продолжают до тех пор, пока в течение 2—3 ч не будет наблюдаться установив­шийся расход. Если при первой ступени напора расход воды на 1 м испытуемого участка не превышает в течение первых двух часов 0,02 л/мин, то опыт прекращают и считают породы интервала прак­тически водонепроницаемыми.

В процессе опыта в журнале установленной формы регистрируют значения расхода, напора, температуры и другие показатели. По ре­зультатам опыта строят график зависимости приведенного расхода Q₀ от напора H. Приведенный расход определяют делением устано­вившегося на каждой ступени расхода Q на длину испытуемого интервала l: Q₀ = Q/l — графики приведенных расходов Q₀ =f(H), служащие для контроля правильности опытов и являющиеся ос­новой для определения величины удельного водопоглощения.

Аналогично кривым дебита при откачке они могут иметь прямо­линейный или криволинейный характер. Получение криволиней­ного графика Q₀ =f(H), обращенного выпуклостью вниз (к оси на­поров), свидетельствует о том, что опыт проведен неправильно и его следует повторить.

Наиболее распространено опробование скважин нагнетаниями по схеме «сверху вниз», при которой скважина опробуется последо­вательно по мере ее углубления, поэтому кольматация ее ствола проявляется в меньшей степени, чем при опробовании по схеме «снизу вверх». Скважину разбуривают до первого сверху интервала опробования, промывают, устанавливают на верхней границе ин­тервала тампон и производят нагнетание. Затем тампон извлекают, разбуривают скважину до подошвы следующего интервала опробо­вания, промывают вскрытый участок, устанавливают тампон на его верхней границе, производят нагнетание и т.д.

Опытные нагнетания по схеме «снизу вверх» проводят после бу­рения скважины с изоляцией испытуемых интервалов опробования двойными тампонами (практикуется редко) либо с тампонирова­нием опробованного интервала глиной или цементом (практику­ется чаще). При опыте по этой схеме скважина после завершения ее проходки должна быть тщательно промыта (что трудно осущест­вимо) для исключения влияния на его результаты закольматиро- ванности пород буровым шламом и глинистым раствором. Испыта­ниям подвергают выделенные с учетом фактического разреза сква­жины интервалы опробования, начиная с нижнего интервала. Испытуемый интервал изолируют сверху тампоном, опробуют на­гнетаниями и после извлечения тампона тампонируют глиной или цементом. Затем изолируют и опробуют следующий интервал и т.д.

Применяемое в настоящее время оборудование позволяет раз­жимать тампон в скважине на глубине до 100 м. С целью оценки водопроницаемости пород на большой глубине рекомендуется про­водить нагнетания в интервалы опробования нарастающей длины. Для этого скважину углубляют каждый раз на 5 или 10 м (т.е. на глу­бину стандартного интервала опробования) и опробуют вскрытый скважиной разрез пород. Тампон устанавливают при этом на одной и той же максимально доступной глубине; таким образом, ин­тервал, в который осуществляют нагнетание, последовательно уве­личивается.

Обработка результатов таких нагнетаний позволяет выявлять наиболее проницаемые зоны в разрезе отложений и получать срав­нительную характеристику их водопроницаемости. Для этой же цели можно использовать данные наблюдений за поглощением промывочной жидкости при бурении скважин и, если необходимо, останавливать бурение и опробовать нагнетаниями наиболее про­ницаемые интервалы. При обработке результатов наливов и нагне­таний определяют удельное водопоглощение и коэффициенты фильтрации (по величине удельного водопоглощения с использо­ванием переходного коэффициента либо по соответствующим рас­четным формулам).

Например, коэффициент фильтрации необводненных равно­мерно трещиноватых пород по данным наливов в скважины опре­деляют по формуле В.М. Насберга:

где Q — установившийся расход воды, м³/сут, полученный при на­ливах в скважину радиусом г с поддержанием в ней постоянной вы­соты столба воды h, не превышающей длины интервала опробо­вания.

Схема применима при условии, что расстояние от забоя сква­жины до водоупора больше или равно h. Результаты опытных на­ливов и нагнетаний отображают на специальных сводных листах.