Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Гидрогеодинамические основы рациональной эксплуатации водозаборов и охраны подземных вод в нефтедобывающих районах Западной Сибири

ВАК РФ 25.00.07, Гидрогеология

Автореферат диссертации по теме "Гидрогеодинамические основы рациональной эксплуатации водозаборов и охраны подземных вод в нефтедобывающих районах Западной Сибири"

005533770

Тагильцев Викеитин Сергеевич

На правах рукописи

ГИДРОГЕОДИНАМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАЦИОНАЛЬНОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ ВОДОЗАБОРОВ И ОХРАНЫ ПОДЗЕМНЫХ ВОД В НЕФТЕДОБЫВАЮЩИХ РАЙОНАХ ЗАПАДНОЙ СИБИРИ

Специальность 25.00.07 - Гидрогеология

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

26 СЕН 2013

Екатеринбург - 2013

005533770

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Уральский государственный горный университет»

Научный руководитель - доктор геолого-минералогических наук,

профессор Грязное Олег Николаевич Официальные оппоненты:

доктор геолого-минералогических наук, профессор Штенгелов Ростислав Степанович,

Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, профессор кафедры гидрогеологии (г. Москва);

кандидат геолого-минералогических наук Аликин Эдуард Александрович,

Пермский государственный национальный исследовательский университет, доцент кафедры динамической геологии и гидрогеологии (г. Пермь).

Ведущая организация - Институт геологии и геохимии им. А.Н. Заварицкого

Уральского отделения РАН (г. Екатеринбург)

Защита диссертации состоится 10 октября 2013 г. в 16-00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.189.01 при ФГБОУ ВПО «Пермский государственный национальный исследовательский университет», по адресу: 614990, г. Пермь, ул. Букирева, 15, 1-й корпус, 4-й этаж, зал заседаний учёного совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Пермского государственного национального исследовательского университета.

Отзывы на автореферат, заверенные печатью учреждения, в двух экземплярах просим направлять по адресу: 614990, г. Пермь, ул. Букирева, 15, Пермский государственный национальный исследовательский университет, ученому секретарю диссертационного совета. Факс: (342) 239-68-32; e-mail: geophysic@psu.ru

Автореферат разослан 6 сентября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.189.01 доктор технических наук,

профессор УХ;^* В.А. Гершанок

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Основные нефтедобывающие районы ападной Сибири располагаются в южной части Ямало-Ненецкого автономного круга (ЯНАО) и на территории широтного Приобья в пределах Ханты-ансийского автономного округа (ХМАО-Югра). На этой территории ксплуатируются многие десятки водозаборов подземных вод. Часть водозаборов спользуется для питьевого водоснабжения городов и предприятий, значительная теть эксплуатируется для целей поддержания пластового давления в нефтеносных ластах.

Значительное количество водозаборов вводилось в эксплуатацию без роведения разведочных работ и специального расчетного обоснования, ольшинство водозаборов рассчитывалось по схеме безграничного пласта, и рогнозировалось развитие депрессионных воронок от крупных водозаборов на есятки километров. В настоящее время выявились существенные противоречия ежду представлениями о гидродинамических условиях добычи подземных вод на ериод ввода в эксплуатацию водозаборов и современными результатами анализа анных разведочных работ и наблюдений в период эксплуатации.

Гидродинамические параметры пластов рассчитывались без учета собенностей обработки откачек в слоистых пластах с перетеканием. По многим одозаборам значение параметра водопроводимости завышалось в 2-3 раза, а оэффициентов пьезопроводности - примерно на порядок. Существенная ошибка аключалась в неверной оценке размеров депрессионных воронок вокруг одозаборов. Сложная экологическая ситуация в районах нефтедобычи и вблизи ородских территорий в совокупности с неправильными расчётами размеров епрессионных воронок приводила к неверной оценке опасности взаимодействия одозаборов и источников загрязнения.

Отсутствие детального гидрогеодинамического обоснования проектных ешений по строительству водозаборов привело к тому, что водозаборы занимают начительные избыточные площади, главным образом, в связи с завышенными асстояниями между водозаборными скважинами. В свою очередь, это повлекло ущественное увеличение затрат на строительство и эксплуатацию водозаборов, ри сооружении и эксплуатации водозаборных скважин, как правило, не ценивалась степень их гидродинамического несовершенства. В большинстве ксплуатационных скважин доля понижения уровня, связанная с их гидродинамическим несовершенством, составляет значительную часть от общего онижения уровня в этих скважинах. Это приводит к излишним экономическим

атратам на добычу подземных вод.

Идея работы. Детальный гидродинамический анализ данных разведки и жеплуатации водозаборов позволяет достоверно оценивать гидрогеологические и ехнологические условия добычи подземных вод, экологическую ситуацию в айоне водозаборов и обеспечивает существенное повышение экологической и кономической эффективности эксплуатации водозаборов подземных вод.

Объектами исследований являются водозаборы подземных вод, ксплуатирующие олигоценовый водоносный горизонт в нефтедобывающих

\

районах южной части Ямало-Ненецкого автономного округа (ЯНАО) и на территории широтного Приобья в пределах Ханты-Мансийского автономного округа (ХМАО-Югра).

Предметом исследований являются гидродинамические процессы, которые возникают при опытно-фильтрационных опробованиях и эксплуатации водозаборов в слоистых пластах.

Цель работы - анализ гидрогеологических условий, опыта разведки и эксплуатации водозаборов подземных вод и разработка, на основе современных методов гидродинамических расчётов, рациональных методов изучения водозаборных участков, проектирования и эксплуатации водозаборов подземных вод.

Основные задачи исследований

1. Анализ современных представлений о гидрогеологических условиях эксплуатации олигоцен-четвертичного водоносного комплекса.

2. Обоснование расчётных гидродинамических схем, которые реализуются при разведке и эксплуатации подземных вод.

3. Анализ и оценка состояния гидрогеодинамических расчетов в пластах с перетеканием.

4. Уточнение методики обработки данных опытно-фильтрационных работ.

5. Уточнение и дополнение методики обработки данных эксплуатации водозаборов.

6. Анализ гидродинамического состояния водозаборных скважин с учетом их несовершенства.

7. Разработка рекомендаций по оценке эксплуатационных запасов подземных вод с учётом гидродинамического несовершенства скважин.

8. Гидродинамическое обоснование рациональной структуры водозаборов.

9. Анализ теоретических решений, определяющих размеры депрессионных воронок вокруг водозаборов.

10. Разработка рекомендаций по оценке размеров депрессионных воронок вокру

водозаборов.

11. Уточнение рекомендаций по ведению мониторинга при эксплуатации водозаборов.

Научная новизна

1. Выявлено, что в слоистых пластах, слагающих верхнюю част гидрогеологического разреза нефтедобывающих районов, реализуется схем пласта с перетеканием из горизонта с изменяющимся напором с последующи переходом в гидродинамическую схему пласт с перетеканием из горизонта

постоянным напором. 2 Установлено, что в процессе развития перетекания из четвертичног безнапорного водоносного горизонта происходит увеличение водоотдачи о значений, характерных для упругой водоотдачи, до величин гравитационно водоотдачи. Суммарная водоотдача возрастает менее чем в сто раз, чт усложняет интерпретацию результатов откачек.

3. Определены средние, относительно устойчивые значения параметров водопроводимости и перетекания, коэффициентов пьезопроводности и упругой водоотдачи, характерные для олигоценового водоносного горизонта.

4. Разработана методика анализа работы водозаборов с разложением величины понижения в эксплуатационных скважинах на основные составляющие, что позволяет определить дополнительное понижение за счет гидродинамического несовершенства водозаборной скважины.

5. Разработаны количественные показатели для оценки гидродинамического несовершенства водозаборных скважин, предложена классификация скважин по степени их гидродинамического несовершенства.

6. Уточнены рекомендации по оценке эксплуатационных запасов в пластах с перетеканием с учётом степени несовершенства и взаимного расположения водозаборных скважин.

7. На основе теоретического анализа основных расчетных зависимостей выявлена взаимосвязь размеров депрессионной воронки с дебитом отдельных скважин и водозаборов, с учётом величины водопроводимости пласта.

8. На основании прямых наблюдений и аналитических расчётов оценены размеры депрессионных воронок вокруг водозаборов подземных вод. Теоретическая и практическая значимость работы

1. Установлено, что в слоистых пластах важное место занимает гидродинамическая схема пласта с перетеканием из горизонта с переменно-постоянным напором, причём изменение водоотдачи происходит в пределах первых двух порядков величин (в десятки раз).

2. Обоснована аналитическая зависимость, определяющая связь уровня подземных вод в отключённой скважине работающего водозабора с расчётным уровнем в обобщённой системе скважин (уровень в большом колодце).

3. Разработана классификация скважин по степени их гидродинамического несовершенства.

4. Уточнена и дополнена методика интерпретации данных откачек из водоносных пластов с перетеканием.

5. Достоверно определены средние значения гидродинамических параметров олигоцен-четвертичного водоносного комплекса, позволяющие оценивать правильность обработки данных откачек и эксплуатации водозаборов.

6. Разработаны дополнительные рекомендации по оценке эксплуатационных запасов в пластах с перетеканием с учётом степени несовершенства и взаимного расположения водозаборных скважин.

7. Установлена, на основании теоретического анализа, взаимосвязь радиуса депрессионной воронки с дебитом скважины (водозабора) и водопроводимостью пласта в водоносных системах с перетеканием.

8. Установлено, что радиусы депрессионных воронок вокруг водозаборов подземных вод обычно составляют менее 2-3 км. Для небольших водозаборов радиус депрессии составляет менее километра. Данное положение позволяет целенаправленно планировать мероприятия по охране подземных вод.

9. Рекомендуется для мониторинга техногенных изменений уровня подземных вод вокруг водозаборов располагать наблюдательные скважины не далее половины радиуса депрессионной воронки (1-3 значения величины параметра перетекания) от центра водозабора.

Методы исследований. Основные научные и практические результаты диссертационной работы получены на основе сочетания анализа и обобщения теоретических и методических достижений гидрогеологии, в первую очередь гидрогеодинамики, с тщательным применением этих положений в практической деятельности. Методическая идеология диссертации базируется на убеждении, что достоверные научные результаты могут быть получены только на основе достаточно строгих теоретических моделей, адекватно описывающих изучаемый процесс. Модели необходимо обосновывать, проверять и подтверждать разнообразными натурными данными, полученными в соответствующих гидрогеологических условиях.

Защищаемые научные положения

1. При разведке и эксплуатации подземных вод олигоцен-четвертичного гидрогеологического комплекса реализуются условия перетекания из четвертичного водоносного горизонта в олигоценовый водоносный горизонт. В этой части гидрогеологического разреза важное место занимает гидродинамическая схема пласта с перетеканием из горизонта с переменно-постоянным напором. Опытно-фильтрационные исследования необходимо выполнять с учетом стационарного режима эксплуатации водозаборов и отличительных особенностей определения гидродинамических параметров в водоносных пластах с перетеканием.

2. Анализ данных мониторинга эксплуатационных показателей водозаборов позволяет уточнить значения основных гидродинамических параметров водоносного пласта и выявить реальную гидрогеологическую ситуацию на водозаборном участке. Количественная оценка гидродинамических характеристик водозаборных скважин обеспечивает объективную оценку их технического состояния и эффективность проектных решений по общей структуре водозабора.

3. Экологическое состояние водозаборов зависит от степени их гидродинамического взаимодействия с природными и техногенными объектами на поверхности земли и в геологической среде. При перетекании подземных вод из четвертичного водоносного горизонта в олигоценовый водоносный горизонт в зоне влияния водозабора формируется стационарная депрессионная воронка относительно небольших размеров. Размеры депрессионной воронки определяются гидродинамическими характеристиками взаимодействующих пластов и суммарным

дебитом водозабора.

Личный вклад автора. Начиная с 2000 года в рамках студенческих работ, а затем в качестве инженера автор участвовал в проведении полевых работ, анализ данных и их научной интерпретации. Автор располагает материалами по ряду водозаборов, полученными лично. Результаты анализа гидродинамической ситуации докладывались в течение 10 лет на конференциях и совещаниях различного уровня.

Достоверность работы. Обоснованность и достоверность научны положений, выводов и рекомендаций достигается применением основных

теоретических и методических положений гидрогеодинамики, тщательным анализом многочисленных натурных данных по разведке и эксплуатации водозаборов подземных вод на территории Западной Сибири.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всероссийских совещаниях по подземным водам востока России (г. Иркутск, 2006 г.; г. Тюмень, 2009 г.; г. Иркутск, 2012 г.); конференциях, проводившихся в рамках Уральской горнопромышленной декады (г. Екатеринбург, 2004, 2006, 2011, 2013 гг.); научно-практической конференции «85 лет геологической службе Урала» (г. Екатеринбург, 2005 г.); международной научной конференции «Ресурсы подземных вод: Современные проблемы изучения и использования (к 100-летию Б.И. Куделина)», (г. Москва, 2010 г.); международной научно-практической конференции «Питьевые подземные воды. Изучение, использование и информационные технологии», (пос. Зелёный Московской обл., 2011 г.); международной научной конференции «Гидрогеология сегодня и завтра: наука, образование, практика. К 60-летию со дня основания кафедры гидрогеологии МГУ», (г. Москва, 2013 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 работ, в том числе 2 работы опубликованы в издании, рекомендованном ВАК Минобрнауки России.

Структура и объём диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, семи глав, заключения, списка источников, включающего 126 наименований. Объём диссертации составляет 217 страниц текста, включая 59 рисунков и 78 таблиц.

Автор признателен научному руководителю профессору О.Н. Грязнову за содержательные советы при выполнении и оформлении диссертационной работы. Автор выражает глубокую благодарность преподавателям и сотрудникам кафедры гидрогеологии, инженерной геологии и геоэкологии УГТУ за постоянную поддержку. Автор сохраняет благодарную память о профессоре В.М. Шестакове, так как его учебники, научные труды и заочные консультации в значительное степени предопределили содержание работы. Автор осознаёт, что базой для научных обобщений послужили материалы, полученные многими гидрогеологами в процессе яжёлых и кропотливых работ на территории Западной Сибири, и выражает им свою искреннюю благодарность.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ 1. Гидрогеологические условия эксплуатации водозаборов пресных подземных вод

Территория, в пределах которой проводились гидрогеологические ^следования, находится в центральной части Тюменской области. Значительная асть нефтяных месторождений и соответственно водозаборов подземных вод асполагается в южных районах Ямало-Ненецкого автономного округа (города Муравленко, Губкинский, пос. Харампур) и в восточных районах Ханты-1ансийского автономного округа (города Сургут, Лангепас, Нижневартовск).

С позиций гидрогеологического районирования данная территория относится Западно-Сибирскому мегабассейну (ЗСМБ) подземных вод. В данной работе

применяется гидрогеологическая стратификация, предложенная В.М. Матусевичем, с учетом последних обобщений и наработок (1984, 1986, 1990, 2008). В диссертации рассматривается часть гидрогеологического разреза, которая входит в кайнозойско-меловую систему бассейнов стока. По условиям водообмена, динамике и химическому составу подземных вод кайнозойско-меловая система бассейнов стока подразделяется на два гидрогеологических комплекса: эоцен-четвертичный (эоцен-олигоцен-четвертичный) и турон-эоценовый. Первый представляет собой преимущественно проницаемую единую водонасыщенную толщу, второй -региональный водоупор с подчиненными водоносными горизонтами и слоями. В последних публикациях эоцен-олигоцен-четвертичный комплекс обычно называют гидрогеологическим комплексом олигоцен-четвертичных отложений. Комплекс содержит пресные воды и приурочен к рыхлым отложениям неоген-четвертичного и эоцен-олигоценового возраста общей мощностью до 300 м. Цитологический состав представлен чередованием глинистых и песчаных образований, в различной степени охваченных многолетней мерзлотой.

Четвертичный водоносный комплекс (горизонт) имеет тесную гидравлическую связь с многочисленными водоёмами и водотоками, которые получили широкое развитие на территории Западной Сибири. Тесная взаимосвязь четвертичного водоносного горизонта с водными объектами на поверхности земли предопределяет относительное постоянство напора в четвертичном водоносном горизонте при проведении откачек и эксплуатации водозаборов в олигоценовом горизонте.

Эоцен-олигоценовый водоносный комплекс пользуется широким распространением и является основным источником водоснабжения населенных пунктов и предприятий района. В составе комплекса выделяются водоносные горизонты: юрковский свиты (Pzjur) верхнего эоцена, атлымской свиты (P3at) нижнего олигоцена, новомихайловской свиты (P3nm) среднего олигоцена. Последние образуют атлым-новомихайловский водоносный горизонт (P3at+nm). На участках, где достоверно не установлен возраст водовмещающих отложений, применяется название «олигоценовый водоносный горизонт (Р3)».

Совокупность гидрогеологических сведений по рассматриваемой территории заставляет полагать, что при обработке данных откачек и эксплуатации водозаборов в олигоценовом водоносном горизонте следует рассматривать в качестве основной гидродинамическую схему безграничного в плане пласта с перетеканием из водоносного горизонта с постоянным напором.

2. Обзор литературных источников по гидрогеодинамическим расчётам в слоистых пластах с перетеканием

Основное решение фундаментальной задачи для расчетов в слоистых пластах с перетеканием было представлено в работах М. Хантуша и Ч. Джейкоба, опубликованных в 1955 - 1967 гг. Наряду с переводами указанных работ важные исследования были выполнены В.М. Шестаковым и его учениками (1967 1968, 1969 1974 1982 1983 и др.), В.А. Мироненко с соавторами (1968, 1978), Ф.М. Бочевером' (1968). Последняя крупная работа В.М. Шестакова с соавторами,

посвященная проблеме откачек в пластах с перетеканием, содержит аналитический обзор литературы (2011).

В статье М. Хантуша и Ч. Джейкоба приведено решение задачи для откачки из напорного пласта с жестким режимом перетекания, при неизменном напоре в соседних пластах. Для безразмерной функции скважины в этом решении составлены подробные таблицы, приведены необходимые зависимости и даны практические рекомендации. Основной отличительной особенностью этих рекомендаций является выделение точки перегиба на графиках временного прослеживания понижения уровня (Б-^). Уклоны прямых, проведённых в точках перегиба, меняются в зависимости от расстояния до наблюдательных скважин (рис. 2.1). Для правильного определения параметров необходимо рассчитывать специальные поправки. Игнорирование этих особенностей приводит к существенным ошибкам в определении гидродинамических параметров пласта.

Рис. 2.1. Изменение уклона графиков в точке перегиба в зависимости от расстояния до наблюдательной скважины (В.М. Шестаков и др., 1974)

Очень важные работы по описанию процесса перетекания в слоистых пластах были выполнены Д.А. Манукьяном, Н.З. Моркосом (1968) и И.С. Пашковским (1969). Особо следует отметить раздел, посвященный откачкам в ластах с перетеканием в монографии «Опытно-фильтрационные работы» (В.М. 1естаков и др., 1974). Этот раздел был подготовлен И.С. Пашковским. Обзор рактических методов обработки откачек в пластах с перетеканием в последующие оды был представлен в ряде монографий В.А. Мироненко, В.М. Шестакова (1974, 1978, 1987); Б.В. Боревского с соавторами (1979). В этих работах на ряде онкретных примеров приведены результаты обработки откачек при наличии еретекания из других горизонтов.

Основные схемы для расчетов откачек в слоистых _ пластах с перетеканием одразделяют на несколько видов. Основной расчётной схемой является схема еретекания из водоносного горизонта с постоянным напором. Вторая схема геретекания - перетекание из водоносного горизонта с изменяющимся напором -бычно рассматривается как разновидность двухпластовой системы. Решение естовых задач и исследования на реальных объектах показали, что двухпластовая хема встречается довольно редко. Эта схема подразумевает изменение значения араметра водопроводимости в процессе откачки. Откачки при упругом режиме в лабопроницаемых слоях также встречаются очень редко (В.М. Шестаков, 2011).

Очень важной расчетной схемой является схема гетерогенного строения пласта с двойной пористостью. В основе этой схемы лежит представление об изменении водоотдачи в процессе откачки от низкой, обычно упругой, до достаточно высокой, чаще всего гравитационной. При решении такой задачи обычно применяются подходы, которые впервые были получены Н. Болтоном (1954, 1963). Схема гетерогенного пласта с двойной пористостью применима для пластов слоистого строения (В.М. Шестаков и др., 1974; В.М. Шестаков, 2011). В данной схеме подразумевается, что перетекание происходит из пласта с изменяющимся напором.

Основной пласт, как правило, обладает упругой водоотдачей. При перетекании из соседних пластов значение водоотдачи увеличивается. Разница в значениях водоотдачи может составлять более ста раз в тех случаях, когда реализуются высокие значения гравитационной водоотдачи. Предпосылка об очень значительном увеличении водоотдачи обычно принимается как основная. Практика работ в слоистых пластах показала, что изменение водоотдачи нередко происходит в относительно небольших пределах (десятки раз), и значения водоотдачи на разных этапах откачки являются соизмеримыми. Таблицы специальной функции для этого случая составлены Д.А. Манукьяном (1968).

В переходный период откачки темп снижения напоров уменьшается (ложная стабилизация), и график имеет точку перегиба. Уклон кривой в точке перегиба на этапе ложной стабилизации определяется только степенью увеличения коэффициента водоотдачи (В.М. Шестаков и др., 1974). При изменении водоотдачи более чем в сто раз, уклон кривой в точке перегиба является практически горизонтальным. При изменении водоотдачи меньше ста (в десятки раз), уклон кривой в точке перегиба приобретает существенный наклон, и выделение этапа ложной стабилизации представляет определённые сложности. Обычно этот этап не выделяется при интерпретации графиков, что приводит к ошибкам в расчётах.

Таким образом, следует сделать вывод, что обработка данных откачек в пластах с перетеканием имеет ряд отличительных особенностей от обработки опытов, выполненных в безграничных пластах. Игнорирование этих отличий очень часто приводит к существенным ошибкам в определении гидродинамических

параметров пластов.

При разведке и эксплуатации водозаборов результаты откачек используются для оценки эксплуатационных запасов. Большое количество взаимодействующих скважин заменяется укрупненным сооружением (большим колодцем). При проведении расчетов по схеме большого колодца, кроме гидродинамических параметров пласта и понижения уровня в большом колодце, необходимо обосновать значение величины допустимого понижения непосредственно в водозаборных скважинах, а также радиуса большого колодца.

В напорных пластах допустимое понижение определяется величиной напора над кровлей пласта. Радиус большого колодца для различных систем расположения скважин можно определять по зависимостям для линейного ряда скважин, для площадной системы и для кольцевой системы (H.H. Биндеман, JLC. Язвин, 1970; Ф.М. Бочевер, 1968; Н.И. Плотников, 1985 и др.). На водозаборах,

схематизированных в виде обобщенных систем, расчетное понижение уровня в скважине состоит из двух значений:

5,е = 5. + А5с, (2.1)

где 5С - понижение уровня в водозаборной скважине; 5„ - понижение в обобщенной системе (в большом колодце); Д5С - дополнительное понижение в скважине, зависящее от расположения скважин внутри системы.

Выражение (2.1) описывает условия, когда скважины являются совершенными по степени вскрытия и по характеру вскрытия пласта. Понижение в гидродинамически совершенной скважине можно обозначать как ,!>сс. Для постоянного дебита скважины все виды несовершенства, вызывающие дополнительное понижение уровня в скважине, можно оценивать величиной Д5НС. Эта величина должна применяться как третий член правой части уравнения (2.1). Для основных систем скважин разработаны аналитические зависимости, позволяющие рассчитать ^ и Д5С (В.М. Шестаков, 1965, 2009). Несовершенство скважины может быть учтено путем введения в расчет величины, которая называется действующим гидродинамическим радиусом скважины - гс' (В.М. Шестаков, 1974, 2009).

Решение задачи по определению значения понижения уровня подземных вод в большом колодце на действующем водозаборе детально не проработано. Обычно принимаются данные по наблюдательным скважинам, расположенным в пределах водозабора, но их строгое положение, обеспечивающее точное решение, не определено. Для работающих водозаборов необходимо рассчитывать размеры депрессионной воронки. Депрессионная воронка определяет степень взаимодействия соседних водозаборов и вероятность попадания загрязнения в подземные воды от известных источников загрязнения. Для условий перетекания расчетные зависимости, определяющие размеры депрессионной воронки, разработаны недостаточно. В большинстве расчетных зависимостей отсутствует значение суммарного расхода водозаборов, предполагается, что дебит водозабора не влияет на размеры депрессионной воронки. Неопределенность решения этой задачи требует дополнительных исследований.

Таким образом, решение задач, связанных с оценкой эксплуатационных запасов и анализом данных по водозаборам в пластах с перетеканием требует дальнейшего развития.

3. Определение гидродинамических параметров и схематизация гидрогеологических условий В условиях пластов с перетеканием следует применять соответствующие этой гидродинамической обстановке аналитические зависимости и методики расчётов (В.М. Шестаков и др., 1974). Размеры зоны квазистационарного режима в пластах с перетеканием занимают относительно небольшую часть депрессионной воронки (по сравнению с безграничными пластами). При откачках в пластах с перетеканием размеры зоны квазистационарного режима составляют величину, близкую к 0,1 от значения параметра перетекания (гт = 0,1 Л). В той части депрессионной воронки, где не выполняются условия квазистационарного режима, форма временных графиков существенно меняется. Уклон касательных, проведённых в точке

перегиба, заметно уменьшается при увеличении расстояния до наблюдательной скважины (рис. 2.1). Недооценка этого фактора приводит к значительным ошибкам в определении параметров.

Методы обработки данных откачек, которые широко используются в условиях безграничных пластов (временного, комбинированного и площадного прослеживания понижения), в условиях пластов с перетеканием можно применять только в зоне квазистационарного режима. Широкое применение этих методов, без учета размеров зоны квазистационарного режима и степени неоднородности основного пласта и относительно водоупорных горизонтов, приводит к существенным ошибкам в значениях рассчитанных параметров.

В природных условиях на начальном этапе откачки очень часто реализуется схема пласта с перетеканием из водоносного горизонта с изменяющимся (переменным) напором. Если при откачке из пласта с перетеканием из водоносного горизонта с изменяющимся (переменным) напором депрессия в верхнем горизонте достигает питающих границ и наступает окончательная стабилизация, реализуется схема пласта с постоянным напором. Эти условия следует рассматривать как особую гидродинамическую схему - откачка из пласта с перетеканием из горизонта с переменно-постоянным напором. При реализации этой схемы возникает необходимость описания состояния окончательной стабилизации (рис. 3.1). Условия окончательной стабилизации практически соответствуют условиям, которые возникают на границе экранированного водоёма. В условиях слоистых пластов удобно использовать параметр перетекания при окончательной стабилизации (В0с).

&м ' I 4 Рис. 3.1. Вид временной зависимости при

I откачке из пласта с перетеканием из

/ г водоносного горизонта с переменно-

' ____—-у постоянным напором: 1 -

/ неквазистационарный участок графика с

х / / касательной в точке перегиба; 2 - участок

/ 5 / ложной стабилизации; 3 -квазистационарный

/ ^ лс / участок графика с расчетной прямой; 4 -

у7 ,, ■ / ■■ участок окончательной стабилизации

' ' ^ I, (мин)

Для оценки степени гидродинамического несовершенства скважин следует использовать аналитические зависимости, позволяющие количественно и качественно оценивать этот фактор. На основании длительного применения в практических расчётах показателя действующего гидродинамического радиуса скважины {г') были установлены наиболее типичные соотношения гидродинамических характеристик, отражающих степень несовершенства гидрогеологических скважин. В качестве основного показателя удобно использовать величину 1п(гЛ'с) или ^(гЛ'с) (табл. 3.1). Показатели степени гидродинамического несовершенства скважин позволяют качественно и количественно характеризовать состояние опытных и эксплуатационных скважин.

Таблица 3.1 -Характеристика степени гидродинамического несовершенства скважин

Характеристика ^с/Гс)

совершенные 0 0 1 1

условно совершенные 0-3,5 0- 1 1 -2 1 -0,5

умеренно несовершенные 3,5 - 7 1 -2 2-3 0,5 - 0,33

весьма несовершенные 7- 14 2-4 3-5 0,33 - 0,2

исключительно несовершенные 14-28 4-8 5-9 0,2-0,1

условно глухие Больше 28 Больше 8 Больше 9 Меньше 0,1

4. Анализ результатов разведки и схематизация геологических условий

водозаборов

В этом разделе диссертации представлены результаты анализа и современной интерпретации данных поисково-разведочных работ, выполненных в различные годы на участках расположения водозаборов питьевых и технических вод. Разведочные работы для водоснабжения городов Муравленко, Губки некий, Лангепас проводились в 80-е годы. При производстве разведочных работ выполнялось значительное количество кустовых и одиночных откачек. Кусты скважин, как правило, включали наблюдательные скважины на четвертичный водоносный горизонт. Качество полевых работ было очень хорошим. Для ехнического водоснабжения на Харампурском и Фестивальном нефтяных месторождениях были выполнены поисково-оценочные работы на участках водозаборов КНС-2, КНС-3, БКНС. При проведении работ производились одиночные и кустовые откачки. Для определения параметров пластов использовались также периоды, когда часть скважин на водозаборах не ксплуатировалась (начальный период эксплуатации), и эти скважины ассматривались как наблюдательные.

В диссертации представлены фактические данные, временные, омбинированные и площадные графики, построенные по данным кустовых ткачек. Результаты обработки данных опытно-фильтрационных работ по ассмотренным объектам позволяют выполнить ряд обобщений. Во всех случаях еализуется схема откачки из пласта с перетеканием из горизонта с постоянным апором. В большинстве случаев наблюдается перетекание из горизонта с еременно-постоянным напором. Как правило, отчётливо видно, что увеличение одоотдачи происходит в десятки раз. На графиках временного прослеживания этап ожной стабилизации имеет выраженный уклон, поэтому понятие стабилизации, отя и ложной, в этих случаях является очень условным.

Первая точка перегиба, отражающая начало перетекания, фиксируется по лижайшим наблюдательным скважинам через первые десятки минут от начала ткачки. Данное обстоятельство и наблюдения по этажным пьезометрам указывают т тесную связь между олигоценовым водоносным горизонтом, который находится а глубине 100 - 200 м от поверхности земли, и приповерхностным четвертичным одоносным горизонтом. Относительно водоупорные горизонты, разделяющие сновной пласт и четвертичный водоносный горизонт, имеют достаточно высокие фильтрационные свойства.

Окончательная стабилизация при откачках наступает не более чем через трое суток. Относительно быстрая окончательная стабилизация, помимо высоких фильтрационных и емкостных свойств водовмещающих пород, связана с большим количеством водоёмов и водотоков на поверхности земли. Водоёмы выступают в роли питающих границ, которые поддерживают уровень подземных вод в четвертичном водоносном горизонте.

Значения основных гидродинамических характеристик олигоценового водоносного горизонта по рассмотренным объектам (табл. 4.1) позволяют заключить, что основные расчётные параметры - водопроводимость и параметр перетекания - варьируют в относительно узких пределах. Значение водопроводимости меняется от 214 до 1060 м2/сутки, при среднем значении 616 м /сутки. Крайние значения отличаются от средней величины менее чем в 2 - 3 раза. Значения параметра перетекания ещё более устойчивы. Крайние значения отличаются от средней величины менее чем в 2 раза. Учитывая, что параметр перетекания используется в основном в виде логарифма этой величины, можно во многих случаях без особого ущерба для точности расчётов применять среднее значение. Кроме расчётов, параметр перетекания можно использовать для диагностики правильности определений других гидродинамических характеристик. Следует полагать, что если при определении характеристик пласта значение параметра перетекания получаются более 1000 м, в расчётах допущена существенная погрешность.

Таблица 4.1 - Результаты обработки данных откачек

Объект Т, м'Усут а, м^/сут Вж, м И* к/т, сут"1

Муравленко 272 2,1'Ю' 263 1,3*10"' 3,9*10"3

Губкинский 1060 1,9*106 600 5,6*10"4 2,9-10^

Лангепас 831 2,8*105 362 2,9*10"3 ' 6,3-10°

КНС-2 214 9,3*104 208 2,3*10° 4,9-10°

КНС-3 428 3,0*105 301 1,4*10° 4,7* 10°

БКНС 890 5,0'Ю5 200 1,8-10"-1 2,2*10°

Среднее значение 616 5,5* Ю5 322 1,7-10° 7,5*10°

Необходимо отметить, что другие гидродинамические параметры (а, ц*, к/т) имеют также довольно устойчивые значения, которые относительно мало варьируют по разным объектам. Средний коэффициент пьезопроводности имеет значение, характерное для напорных водоносных горизонтов. Среднее значение коэффициента упругой водоотдачи позволяет сделать важный вывод о том, что соотношение гравитационной и упругой водоотдачи в рассматриваемых условиях, как правило, будет меньше ста. Соответственно, хорошо выраженный (субгоризонтальный) участок ложной стабилизации при проведении и обработке откачек можно зафиксировать очень редко.

Среднее значение параметра к!т позволяет оценить фильтрационные свойства слоев, разделяющих олигоценовый и четвертичный водоносные горизонты. Среднее значение коэффициента фильтрации составит десятые доли м/сутки. Если применить аналогичный подход к основному водоносному пласту, то окажется, что средний коэффициент фильтрации оценивается значением больше 10 м/сутки.

Следует сделать вывод, что роль относительного водоупора определяется соотношением фильтрационных показателей, а не водоупорными свойствами разделяющих слоёв.

Таким образом, следует считать, что олигоцен-четвертичный гидрогеологический комплекс обладает устойчивыми, довольно высокими фильтрационными и емкостными свойствами на территории, где располагаются основные нефтяные месторождения. Хорошая связь с поверхностными водоёмами обеспечивает высокую степень пополнения запасов подземных вод для питьевых и технических целей. Эта же связь предопределяет значительный уровень уязвимости водоносных горизонтов для проникновения загрязнения с поверхности земли.

На основании анализа теоретических решений и данных опытно-фильтрационных работ, выполненных в процессе разведки водозаборов, следует считать первое защищаемое положение доказанным.

5. Анализ данных эксплуатации водозаборов питьевых вод

В первой части раздела рассматриваются основные теоретические положения гидрогеодинамики, которые используются для анализа данных водозаборов и подсчёта запасов подземных вод. Гидродинамический метод подсчёта запасов подземных вод подразумевает сравнение расчётного и допустимого понижений в водозаборных скважинах. Расчетное понижение в водозаборных скважинах определяется выражением (2.1) с учётом Д5ИС. Понижение уровня в большом колодце описывается преобразованным уравнением Хантуша, отражающим стационарный режим эксплуатации водозаборов при перетекании из горизонта с постоянным напором:

= о (г/В), (5.1)

где К0 (г/В) - специальная функция.

Если определить значение понижения уровня в большом колодце на работающем водозаборе, то можно рассчитать действующие гидродинамические параметры и величины Л5С, АЗ^ по конкретным скважинам. Значение А5С рассчитывается по известным аналитическим зависимостям (В.М. Шестаков, 2009; и др.). На основании уравнения (5.1) можно оценить значение водопроводимости, опираясь на значение г/В, или рассчитать параметр перетекания (В), исходя из значения параметра водопроводимости. Последний вариант применяется чаще, так как значения водопроводимости можно определить на основании данных откачек (восстановления уровня) как в период разведки, так и в период эксплуатации водозабора.

Основная задача при использовании данного подхода сводится к обоснованию правильного значения 5К. Чаще всего в качестве величины принимается среднее понижение в наблюдательных скважинах, расположенных на территории водозабора, но этот подход может привести к значительным ошибкам. Достаточно надёжно можно оценить 5К, опираясь на значение понижения уровня в специально отключённой для этих целей скважине водозаборного ряда (5МС). Уровень между скважинами очень близок к значению но выше (ближе к поверхности земли) на величину ЛЛ'МС.

Значение величины Л.5МС при отключении одной из скважин водозаборного ряда можно оценить по специальной зависимости, выведенной автором с помощью рекомендаций В.М. Шестакова:

до <?с | 2.241ГН

где о — расстояние между скважинами водозабора.

Важной составляющей понижения в водозаборных скважинах является дополнительное понижение, возникающее за счёт гидродинамического несовершенства водозаборных скважин. Значение величины Д5НС следует оценивать, опираясь на реальные значения понижений в скважинах водозабора:

Д5НС = 5С - 5К - Д5С. (5.3)

Значения А5„с зависят от дебита конкретной скважины и меняются при изменениях дебита. При выполнении расчётов удобнее в качестве показателя несовершенства скважин использовать величину 1п(гс//-'с). Эта величина рассчитывается из выражения (5.4):

гс __ 2лТД5нс (5.4)

Пг'с <2е ■

Использование величины 1п(гс/г'с) позволяет оценивать как усреднённое гидродинамическое несовершенство всех скважин водозабора, так и значение этого показателя по скважинам, где наблюдаются максимальные понижения - 1п(гс/г'с)*. Последняя величина необходима для оценки эксплуатационных запасов в наиболее неблагоприятных условиях и для прогнозирования понижений при «старении» скважин.

При анализе сведений по эксплуатации водозаборов питьевых вод (г. Муравленко, г. Губкинский, г. Лангепас) использовались данные наблюдений за дебитами и уровнями подземных вод, выполненные в различные периоды, начиная с 90-х годов. Анализ данных по водозаборам питьевых вод показал, что при эксплуатации реализуется схема пласта с перетеканием из горизонта с постоянным напором. При правильной интерпретации данных разведочных работ гидродинамические параметры пласта, определённые по данным разведки, хорошо соответствуют значениям параметров, рассчитанным по данным эксплуатации водозаборов.

Понижение уровня в водозаборных скважинах складывается из нескольких составляющих, но основную часть понижения (примерно 2/3) составляет дополнительное понижение за счёт гидродинамического несовершенства скважин. Большинство скважин характеризуются как весьма несовершенные (см. табл. 3.1). Понижение уровня в большом колодце составляет в среднем 1/3 от понижений уровня в водозаборных скважинах (5С). Доля дополнительного понижения за счёт положения скважин в водозаборной системе (Д5С) очень небольшая (несколько процентов). Это показывает, что скважины можно располагать на значительно более близких расстояниях между ними.

По степени гидродинамического совершенства большинство скважин отличаются между собой как в пределах одного водозабора, так по разным водозаборам. Некоторые скважины можно рассматривать как условно совершенные. Встречаются скважины с очень высокой степенью несовершенства (условно

глухие). Сравнение данных разных лет показало, что степень гидродинамического несовершенства со временем увеличивается по всем скважинам.

В зависимости от показателей несовершенства скважин, дебит водозаборов может быть увеличен в несколько раз. Наряду с высокими фильтрационными свойствами и уровнем восполнения запасов подземных вод высокие потенциальные возможности водозаборов связаны с их избыточными размерами. Главным образом, существенно завышены расстояния между скважинами.

6. Анализ эксплуатации и оценка запасов по водозаборам технических вод

Анализ данных по водозаборам технических вод позволяет сделать выводы, аналогичные результатам анализа по питьевым водозаборам. Несмотря на относительно небольшой объём опытно-фильтрационных работ, гидродинамические параметры пласта, определённые по данным предварительных работ, соответствуют значениям параметров, рассчитанным по данным эксплуатации водозаборов. Во всех случаях реализуется схема пласта с перетеканием из горизонта с постоянным напором.

По степени гидродинамического совершенства большинство скважин отличаются между собой как в пределах одного водозабора, так по разным водозаборам. Сравнение данных разных лет показало, что степень гидродинамического несовершенства увеличивается по всем скважинам. Данное обстоятельство заставляет полагать, что кольматация фильтров скважин развивается постоянно. Необходимо проводить мониторинг состояния скважин и оценивать экономическую эффективность их эксплуатации.

Оценка эксплуатационных запасов показала, что, в зависимости от показателей, несовершенства скважин, дебит водозаборов может быть увеличен примерно на порядок. Наряду с высокими фильтрационными свойствами и уровнем восполнения запасов подземных вод потенциальные возможности водозаборов связаны с их избыточными размерами.

Таким образом, результаты анализа данных по водозаборам питьевых и технических вод позволяют считать доказанным второе защищаемое положение.

7. Оценка размеров депресспонных воронок и зоны воздействия водозаборов

на подземную гидросферу

При обработке данных опытно-фильтрационных работ, подсчете эксплуатационных запасов подземных вод и прогнозе водопритоков в горные выработки, как правило, не рассматривается взаимосвязь дебита скважины (водозабора) и размеров депрессионной воронки (Явл). Теоретический анализ исходных уравнений показывает, что взаимосвязь дебита и размеров депрессии существует, и необходимо оценивать влияние этого фактора на качество гидрогеологических расчетов и прогнозов.

Оценка размеров депрессии в водоносных горизонтах с перетеканием из пластов с постоянным напором базируется на уравнении (5.1). Если применить для границы депрессии условие Ятт = 0,01 м (В.М. Шестаков, 2009) и задаться отношением ¿/Г, то можно получить значение К0(Яв,,/б)'-

Ко(Я„/Д)= 2л (7.1)

Отношение Ке,/В рассчитывается с помощью таблицы функции Ко(г/В).

Результаты расчета зависимости /1Ы/В от <2/Т

б/Г, м 0,1 0,2 0,5 1,0 2,0 5,0 10 20 50 100

Я„л /В 0,75 1,2 1,9 2,5 3,1 3,9 4,5 5,2 6,0 6,6

Результаты расчетов показывают, что при небольших дебитах откачек относительно водопроводимости пласта, радиус влияния может быть меньше параметра перетекания. При возрастании отношения О/Т существенно увеличивается значение соотношения Яю/В. При эксплуатации крупных водозаборов радиус депрессии превышает значение параметра перетекания в 4^7 раз. Графическую зависимость Ищ/В от \giQlT) можно аппроксимировать двумя прямыми линиями:

/?ВЛ/Д= 2,4 + 1,64 \%Ш/Т), при \%(0.1Т)< 0 (01Т< 1,0); (7.2)

¡ив= 2,5 + 2,0 \iiQIT), при \giQIT) > 0 ((¿1Т> 1,0). (7.3)

При оценке влияния водозаборов на подземную гидросферу необходимо учитывать реальные условия наблюдений. Режимные скважины, расположенные за пределами депрессионной воронки, можно рассматривать только как фоновые, отражающие естественный режим подземных вод. Естественные колебания уровней в регионе составляют примерно 2 м в год. Влияние эксплуатации на режим уровней можно отследить, если техногенное понижение будет достигать 0,5-И ,0 м. Это условие накладывает определенные ограничения на расположение наблюдательных скважин. Расчеты показывают, что надежные результаты можно получить по наблюдательным скважинам, которые располагаются на расстояниях от центра водозабора не более половины радиуса депрессионной воронки.

Для проверки результатов теоретического анализа выполнено сравнение расчётов с данными по водозаборам, где достаточно точно определены размеры депрессионных воронок с помощью наблюдательных скважин. Результаты сравнительного анализа показали хорошую степень соответствия расчётных и фактических данных. Анализ данных по конкретным водозаборам позволяет полагать, что рассмотренная методика даёт возможность оценивать размеры депрессионных воронок, которые формируются вокруг водозаборов. Для выполнения расчётов необходимо иметь достоверную информацию о значениях параметров водопроводимости, перетекания и суммарном значении дебита водозабора. На основании этих данных выполнены расчёты по водозаборам питьевых вод (табл. 7.1).

Таблица 7.1 - Результаты расчёта радиусов влияния водозаборов

Водозабор Год 2, м3/сут Т, м2/сут В, м е/г.м ШТ /ив Лил, м

Муравленко 1990 10528 272 263 38,7 1,59 5,68 1494

1998 14583 53,6 1,73 5,96 1568

2001 16090 59,2 1,77 6,04 1589

Губкинский 1997 10306 1090 600 9,46 0,98 4,00 2400

1998 12546 11,5 1,06 4,62 2772

Лангепас 2009 12758 831 362 15,4 1,19 4,87 1763

Отношение О/Т по крупным водозаборам составляет от 10 до 60, а Явл/В-4 ■ 6. Если ориентироваться на среднее значение параметра перетекания, равное 322 м, то,

радиус влияния крупных водозаборов можно оценивать величиной в 1,5^-3,0 км. Мелкие одиночные водозаборы с эксплуатационным дебитом десятки - сотни м3/сутки создают депрессионные воронки, радиус которых составляет первые сотни метров. Большинство водозаборов не взаимодействует между собой.

Таким образом, третье защищаемое положение следует считать доказанным.

Заключение

Основные выводы по представленным в диссертационной работе результатам теоретических и полевых исследований сводятся к следующему:

1. Теоретические основы обработки данных откачек в слоистых пластах детально разработаны для различных гидрогеодинамических схем. В реальных гидрогеологических условиях обычно реализуется схема одного пласта с жёстким режимом перетекания из соседних горизонтов. Для пластов слоистого строения применима схема гетерогенного пласта с двойной пористостью. Теоретический анализ и опыт работ в слоистых пластах показывает, что изменение водоотдачи обычно происходит в относительно небольших пределах (в десятки раз). Методика обработки данных откачек в пластах с перетеканием имеет ряд существенных отличительных особенностей от методики обработки опытов, выполненных в безграничных пластах. Игнорирование этих отличий очень часто приводит к значительным ошибкам в определении гидродинамических параметров пластов.

2. В зависимости от конкретных природных условий, при выполнении откачек могут реализоваться различные гидродинамические схемы, которые, в свою очередь, требуют выполнения надёжной диагностики и использования соответствующих методов расчётов. На начальном этапе откачек очень часто реализуется схема пласта с перетеканием из водоносного горизонта с изменяющимся (переменным) напором. При откачке в пласте с перетеканием из водоносного горизонта с переменным напором, депрессия в верхнем горизонте, как правило, достигает питающих границ и наступает окончательная стабилизация, реализуется схема пласта с постоянным напором. Описанные условия предлагается рассматривать как гидродинамическую схему откачка из пласта с перетеканием из горизонта с переменно-постоянным напором.

3. Результаты обработки и анализа данных опытно-фильтрационных работ, выполненных на рассматриваемой территории, показывают, что во всех случаях на окончательном этапе откачек реализуется схема пласта с перетеканием из горизонта с постоянным напором. В большинстве случаев наблюдается перетекание из горизонта с переменно-постоянным напором. Олигоцен-четвертичный гидрогеологический комплекс обладает устойчивыми, довольно высокими фильтрационными и емкостными свойствами. Хорошая связь с поверхностными водоёмами обеспечивает высокую степень пополнения запасов подземных вод для питьевых и технических целей. Эта же связь предопределяет значительный уровень уязвимости водоносных горизонтов для проникновения загрязнения с поверхности земли.

4. Окончательная стабилизация при откачках обычно наступает не более чем через трое суток. Основные расчётные характеристики - водопроводимость и параметр перетекания - варьируют в относительно узких пределах. Значение

параметра водопроводимости меняется от 200 до 1200 м2/сутки, при средне значении 616 м2/сутки. Значения параметра перетекания изменяется от 200 до 600 м при среднем значении 322 м. Средний коэффициент пьезопроводности имее значение, характерное для напорных водоносных горизонтов (5,5-105 'м2/сутки). Среднее значение коэффициента упругой водоотдачи (1,7-10°) позволяет сделат важный вывод о том, что соотношение гравитационной и упругой водоотдачи рассматриваемых условиях будет, как правило, меньше ста. Соответственно хорошо выраженный участок ложной стабилизации, при проведении и обработк откачек, фиксируется нечасто. Среднее значение параметра к/т (7,5-10"3) позволя • предполагать, что фильтрационные свойства слоев, разделяющих олигоценовый четвертичные водоносные горизонты, можно оценить значениями порядка десяты долей м/сутки.

5. Анализ данных по водозаборам питьевых и технических вод показал, чт при эксплуатации реализуется схема пласта с перетеканием из горизонта постоянным напором. При правильной интерпретации данных разведочных работ гидродинамические параметры пласта, определённые по данным разведки соответствуют значениям параметров, рассчитанным по данным эксплуатаци водозаборов. Понижение уровня в водозаборных скважинах складывается и нескольких составляющих, но основную часть понижения (примерно 2/3) составляе дополнительное понижение за счёт гидродинамического несовершенства скважин. Значение дополнительного понижения за счёт положения скважин в водозаборной системе очень небольшое (несколько процентов). Это показывает, что скважинь можно располагать на значительно более близких расстояниях.

6. По степени гидродинамического совершенства большинство скважи различаются между собой как в пределах одного водозабора, так и по разны водозаборам. Некоторые скважины можно рассматривать как совершенные. Встречаются скважины с очень высокой степенью гидродинамическог несовершенства. Сравнение данных разных лет показало, что степен гидродинамического несовершенства увеличивается во времени по всем скважинам. В зависимости от показателей несовершенства скважин, дебит водозаборов може быть увеличен в несколько раз. Наряду с высокими фильтрационными свойствами уровнем восполнения запасов подземных вод, потенциальные возможност водозаборов связаны с их избыточными размерами. Главным образом, существенн завышены расстояния между скважинами.

7. Для водозаборов, которые эксплуатируются в условиях перетекания необходимо оценивать размеры депрессионной воронки вокруг водозабора. Размерь депрессионной воронки определяют степень взаимодействия соседних водозаборо и вероятность загрязнения подземных вод. Теоретический анализ базовы уравнений показывает, что размеры депрессионной воронки зависят от соотношеш дебита скважины (водозабора) и значения водопроводимости пласта. Размерь депрессионных воронок в пластах с перетеканием определяются соотношение радиуса влияния с параметром перетекания. При относительно небольших дебита радиусы депрессии имеют значения меньше величины параметра перетекания. Пр эксплуатации крупных водозаборов радиус депрессии превышает значени

параметра перетекания в 4 + 6 раз. Надежное отслеживание техногенных изменений уровней подземных вод возможно при использовании наблюдательных скважин, которые располагаются не далее половины радиуса влияния от центра депрессии.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ В изданиях, определённых ВАК

1. Тагильцев В. С. Оценка взаимосвязи размеров депрессиокной воронки и дебита скважин в типовых гидрогеологических условиях // Изв. вузов. Горный журнал. 2012. № 6. С. 103 -108.

2. Тагильцев С.Н., Тагильцев В. С. Оценка степени гидродинамического несовершенства разведочных и эксплуатационных скважин // Изв. вузов. Горный журнал. 2013. № 5. С. 171 -176.

В других изданиях -

1. Тагильцев B.C., Кибанова Т.Н. Гидродинамические особенности оценки эксплуатационных запасов пресных подземных вод в южной части ЯНАО //Мат-лы Уральской горнопром. декады. Екатеринбург: УГГГА, 2004. С. 27-29.

2. Тагильцев B.C., Кибанова Т.Н. Оценка влияния напряженного состояния земной коры на формирование месторождений углеводородов на территории ЯНАО // Мат-лы Уральской горнопром. декады. Екатеринбург: УГГГА, 2004. С. 25-27.

3. Тагильцев B.C., Кибанова Т.Н. Особенности оценки эксплуатационных запасов пресных подземных вод в районе нефтяных месторождений ЯНАО //Проблемы инженерных изысканий для строительства в Уральском регионе: мат-лы научно-практ. конф. Екатеринбург: УралТИСИЗ, 2004. С. 38-40.

4. Тагильцев B.C., Тагильцев С.Н. Особенности эксплуатационной разведки на водозаборах ЯНАО //85 лет геологической службе Урала: мат-лы конф. Екатеринбург, 2005. С. 184 -185.

5. Тагильцев B.C. Оценка степени гидродинамического несовершенства опытных и эксплуатационных скважин //Мат-лы Уральской горнопром. декады. Екатеринбург: УГГУ, 2006. С. 63- 64.

6. Тагильцев B.C., Тагильцев С.Н. Гидродинамические особенности разведки и эксплуатации водозаборов в нефтегазодобывающих регионах Западной Сибири //Всероссийское совещание по подземным водам востока России. Иркутск, 2006. С. 298-301.

7. Тагильцев С.Н., Тагильцев B.C. Анализ данных эксплуатации водозаборов в нефтегазодобывающих регионах Западной Сибири // Подземные воды востока России: мат-лы XIX Совещания по подземным водам Сибири и Дальнего Востока. - Тюмень: Тюменский дом печати, 2009. С. 293-297.

8. Формирование эксплуатационных запасов подземных вод в нефтегазодобывающих регионах западной Сибири / С.Н. Тагильцев, А.Е. Лукьянов, B.C. Тагильцев, П.В. Урядов / Ресурсы подземных вод: Современные проблемы изучения и использования: мат-лы междунар. науч. конф., г. Москва, МГУ. М.: МАКСпресс, 2010. С. 195 - 200.

9. Особенности освоения водозаборных скважин в предгорных конусах выноса I А.Е. Лукьянов, B.C. Тагильцев и др. / Уральская горная школа - регионам: мат-лы междунар. науч.-практ. конф., г. Екатеринбург: УГГУ, 2011. С. 46 - 47.

10. Тагильцев С.Н., Тагильцев B.C., Лукьянов А.Е. Особенности и недостатки оценки эксплуатационных запасов пресных подземных вод на территории Западной Сибири. //Питьевые подземные воды. Изучение, использование и информационные технологии: мат-лы междунар. научно-практ. конф. Часть 2. Московская обл., п. Зелёный, ВСЕГИНГЕО. г. Балашиха: ФГУ ВНИИПО МЧС России, 2011. С. 25 - 38.

11. Тагильцев С.Н., Тагильцев B.C., Лукьянов А.Е. Определение гидродинамических параметров слоистых неоднородных пластов на территории Западной Сибири // Подземная гидросфера: мат-лы Всерос. сов. по подз. водам востока России. Иркутск: Изд-во ООО «Географ», 2012. С. 391-396.

12. Тагильцев B.C., Вятченников В.А. Особенности обработки откачек в слоистых пластах на территории Западной Сибири // Междунар. науч.-практ. конф. «Уральская горная школа -регионам»: сб. докл. Екатеринбург: УГГУ, 2013. С. 150- 151.

13. Тагильцев B.C. Зависимость размеров депрессионной воронки от дебита скважин // Междунар. науч.-практ. конф. «Уральская горная школа - регионам»: сб. докл. Екатеринбург: УГГУ, 2013. С. 152 - 153.

14. Тагильцев С.Н., Тагильцев B.C., Лукьянов А.Е. Особенности откачек в слоистых пластах с перетеканием //Гидрогеология сегодня и завтра: наука, образование и практика: мат-лы междунар. науч. конф., г. Москва, МГУ. М.: МАКСпресс, 2013. С. 456-453.

15. Тагильцев С.Н., Тагильцев B.C. Взаимосвязь размеров депрессионной воронки с дебитом скважин и водопроводимостью пласта //Гидрогеология сегодня и завтра: наука, образование и практика: мат-лы междунар. науч. конф., г. Москва, МГУ. М.: МАКСпресс, 2013. С. 469-474.

Подписано в печать 03.09.2013. Бумага писчая. Формат 60x841/16 Печать на ризографе. Печ. л. 1.0. Тираж 140 экз. Заказ У/ .

620144, г. Екатеринбург, ул. Куйбышева, 30. Издательство Уральского государственного горного университета Отпечатано с оригинал-макета в лаборатории множительной техники издательства

УГГУ

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата геолого-минералогических наук, Тагильцев, Викентий Сергеевич, Пермь

Министерство образования и науки Российской Федерации ФБГОУ «Уральский государственный горный университет»

(4201 362992 На правах рукописи

Тагильцев Викентий Сергеевич

ГИДРОГЕОДИНАМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАЦИОНАЛЬНОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ ВОДОЗАБОРОВ И ОХРАНЫ ПОДЗЕМНЫХ ВОД В НЕФТЕДОБЫВАЮЩИХ

РАЙОНАХ ЗАПАДНОЙ СИБИРИ

Специальность 25.00.07 - «Гидрогеология»

Диссертация на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

Научный руководитель: доктор геолого-минералогических наук, профессор Грязнов О.Н.

Екатеринбург, 2013 г

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.........................................................................................4

1 ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ ЭКСПЛУАТАЦИИ ВОДОЗАБОРОВ ПРЕСНЫХ ПОДЗЕМНЫХ ВОД.........................................................................10

1.1 Основные представления о гидрогеологическом строении..........................10

1.2 Гидрогеологические бассейны и комплексы, водоносные горизонты....................13

1.3 Выводы................................................................................................18

2 ОБЗОР ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ ПО ГИДРОГЕОДИНАМИЧЕСКИМ РАСЧЕТОМ В СЛОИСТЫХ ПЛАСТАХ С ПЕРЕТИКАНИЕМ...................................20

2.1 Откачки в напорных пластах с перетеканием..................................................20

2.2 Особенности оценки эксплуатационных запасов и анализа данных по водозабора....................................................................................................30

2.3 Выводы................................................................................................32

3 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ И СХЕМАТИЗАЦИЯ ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ.....................................33

3.1 Обработка данных откачек в слоистых пластах.............................................33

3.2 Особенности интерпретации данных центральных и эксплуатационных скважин.......................................................................................................56

3.3 Выводы................................................................................................60

4 АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ РАЗВЕДКИ И СХЕМАТИЗАЦИЯ ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ ВОДОЗАБОРОВ........................................62

4.1 Гидрогеодинамическая схематизация участка водозабора г. Муравленко..............62

4.2 Гидрогеодинамическая схематизация участка водозабора г. Губкинский..............68

4.3 Гидрогеодинамическая схематизация участка водозабора г. Лангепас..................76

4.4 Гидрогеодинамическая схематизация участка водозабора КНС -2 Южно-Харампурского месторождения..........................................................................84

4.5 Гидрогеодинамическая схематизация участка водозабора КНС-3 Южно-Харампурского месторождения..........................................................................88

4.6 Гидрогеодинамическая схематизация участка водозабора БКНС Фестивального месторождения...............................................................................................98

4.7 Анализ результатов гидрогеодинамической схематизации...............................109

5 АНАЛИЗ ДАННЫХ ЭКСПЛУАТАЦИИ ВОДОЗАБОРОВ ПИТЬЕВЫХ ВОД..........................................................................................................111

5.1 Оценка эксплуатационных запасов и обработка данных по водозаборам.............111

5.2 Анализ эксплуатации водозабора г. Муравленко..........................................116

5.3 Анализ эксплуатации водозабора г. Губкинский...........................................126

5.4 Анализ эксплуатации водозабора г. Лангепас..............................................134

5.5 Результаты анализа данных эксплуатации водозаборов.............................................146

6 АНАЛИЗ ЭКСПЛУАТАЦИИ И ОЦЕНКА ЗАПАСОВ ПО ВОДОЗАБОРАМ ТЕХНИЧЕСКИХ ВОД...................................................................................148

6.1 Анализ данных по водозабору КНС -2 Южно-Харампурского месторождения.............................................................................................154

6.2 Анализ данных и оценка запасов по водозабору КНС - 3 Южно - Харампурского месторождения..........................................................................................157

6.3 Анализ данных и оценка запасов по водозабору БКНС Фестивального месторождения.............................................................................................162

6.4 Результаты анализа и оценки эксплуатационных запасов................................173

7 ОЦЕНКА РАЗМЕРОВ ДЕПРЕССИОННЫХ ВОРОНОК И ЗОНЫ ВОЗДЕЙСТВИЯ ВОДОЗАБОРОВ НА ПОДЗЕМНУЮ ГИДРОСФЕРУ......................174

7.1 Исследование взаимосвязи размеров депрессии и дебита скважин...................174

7.2 Анализ размеров депрессии при эксплуатации водозаборов..........................181

7.3 Выводы..............................................................................................187

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.................................................................................188

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ......................................192

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. Основные нефтедобывающие районы Западной Сибири располагаются в южной части Ямало-Ненецкого автономного округа (ЯНАО) и на территории широтного Приобья в пределах Ханты-Мансийского автономного округа (ХМАО-Югра). На этой территории эксплуатируются многие десятки водозаборов подземных вод. Часть водозаборов используется для питьевого водоснабжения городов и предприятий, значительная часть эксплуатируется для целей поддержания пластового давления в нефтеносных пластах.

Значительное количество водозаборов вводилось в эксплуатацию без проведения разведочных работ и специального расчетного обоснования. В настоящее время выявились существенные противоречия между представлениями о гидродинамических условиях добычи подземных вод на период ввода в эксплуатацию водозаборов и современными результатами анализа данных разведочных работ и наблюдениями в период эксплуатации. Большинство водозаборов рассчитывалось по схеме безграничного пласта и прогнозировалось развитие депрессионных воронок от крупных водозаборов на десятки километров.

Гидродинамические параметры пластов рассчитывались без учета особенностей обработки откачек в слоистых пластах с перетеканием. По многим водозаборам значение параметра водопроводимости завышалось в 2-3 раза, а коэффициентов пьезопроводности - примерно на порядок. Основная ошибка заключалась в неверной оценке размеров депрессионных воронок вокруг водозаборов. Учитывая сложную экологическую ситуацию в районах нефтедобычи и городских территорий, неверная оценка размеров депрессии приводила к неправильной оценке опасности взаимодействия водозаборов и источников загрязнения.

Отсутствие детальной проработки проектных решений по строительству водозаборов привело к тому, что водозаборы занимают значительные площади в связи с избыточными расстояниями между водозаборными скважинами. Это привело к излишним затратам на строительство и эксплуатацию водозаборов. При сооружении и эксплуатации водозаборных скважин, как правило, не оценивалась степень их гидродинамического несовершенства. В большинстве эксплуатационных скважин доля понижения уровня, связанная с гидродинамическим несовершенством скважин составляет значительную часть от общего понижения уровня в этих скважинах. Это приводит к излишним экономическим затратам на добычу подземных вод.

Идея работы. Детальный гидродинамический анализ данных разведки и эксплуатации водозаборов позволяет достоверно оценивать гидрогеологические и технологические условия добычи подземных вод, экологическую ситуацию в районе водозаборов, и обеспечивает существенное повышение экологической и экономической эффективности эксплуатации водозаборов подземных вод.

Объектами исследований являются водозаборы подземных вод, эксплуатирующие олигоценовый водоносный горизонт в нефтедобывающих районах южной части Ямало-Ненецкого автономного округа (ЯНАО) и на территории широтного Приобья в пределах Ханты-Мансийского автономного округа (ХМАО-Югра).

Предметом исследований являются гидродинамические процессы, которые возникают при опытно-фильтрационных опробованиях и эксплуатации водозаборов в слоистых пластах.

Цель работы - анализ гидрогеологических условий, опыта разведки и эксплуатации водозаборов подземных вод, и разработка, на основе современных методов гидродинамических расчётов, рациональных методов разведки водозаборных участков, проектирования и эксплуатации водозаборов подземных вод. Основные задачи исследований:

1. Анализ современных представлений о гидрогеологических условиях эксплуатации олигоцен - четвертичного водоносного комплекса.

2. Обоснование расчётных гидродинамических схем, которые реализуются при разведке и эксплуатации подземных вод.

3. Анализ и оценка состояния гидрогеодинамических расчетов в пластах с перетеканием.

4. Уточнение методики обработки данных опытно-фильтрационных работ.

5. Уточнение и дополнение методики обработки данных эксплуатации.

6. Анализ гидродинамического состояния водозаборных скважин с учетом их несовершенства.

7. Разработка рекомендаций по оценке эксплуатационных запасов подземных вод с учётом гидродинамического несовершенства скважин.

8. Гидродинамическое обоснование рациональной структуры водозаборов.

9. Анализ теоретических решений, определяющих размеры депрессионных воронок вокруг водозаборов.

10. Разработка рекомендаций по оценке размеров депрессионных воронок вокруг водозаборов.

11. Уточнение рекомендаций по ведению мониторинга при эксплуатации водозаборов.

Научная новизна:

1. Выявлено, что в слоистых пластах, слагающих верхнюю часть гидрогеологического разреза нефтедобывающих районов, реализуется схема пласта с перетеканием из горизонта с изменяющимся напором с последующим переходом в гидродинамическую схему «пласт с постоянным напором».

2. Установлено, что в процессе развития перетекания из четвертичного безнапорного водоносного горизонта происходит увеличение водоотдачи от значений, характерных для упругой водоотдачи, до величин гравитационной водоотдачи. Суммарная водоотдача возрастает меньше, чем в сто раз, что усложняет интерпретацию результатов откачек.

3. Определены средние, относительно устойчивые, значения параметров водопроводимости и перетекания, коэффициентов пьезопроводности и упругой водоотдачи, характерные для олигоценового водоносного горизонта.

4. Разработана методика анализа работы водозаборов с разложением ■ величины понижения в эксплуатационных скважинах на основные составляющие, что позволяет определить дополнительное понижение за счет гидродинамического несовершенства водозаборной скважины.

5. Разработаны количественные показатели для оценки гидродинамического несовершенства водозаборных скважин, предложена классификация скважин по степени их гидродинамического несовершенства.

6. Уточнены рекомендации по оценке эксплуатационных запасов в пластах с перетеканием с учётом степени несовершенства и взаимного расположения водозаборных скважин.

7. На основе теоретического анализа основных расчетных зависимостей выявлена взаимосвязь размеров депрессионной воронки с дебитом скважин и водозаборов, с учётом величины водопроводимости пласта.

8. На основании прямых наблюдений и аналитических расчётов оценены размеры депрессионных воронок вокруг водозаборов подземных вод.

Теоретическая и практическая значимость работы:

1. Установлено, что в слоистых пластах важное место занимает гидродинамическая схема пласта с перетеканием из горизонта с переменно-постоянным напором,

причём изменение водоотдачи происходит в пределах первых двух порядков • величин (в десятки раз).

2. Обоснована аналитическая зависимость, определяющая связь уровня подземных вод в отключённой скважине работающего водозабора с расчётным уровнем в обобщённой системе скважин (уровень в «большом колодце»).

3. Разработана классификация скважин по степени их гидродинамического несовершенства.

4. Уточнена и дополнена методика интерпретации данных откачек из водоносных пластов с перетеканием.

5. Достоверно определены средние значения гидродинамических параметров олигоцен - четвертичного водоносного комплекса, позволяющие оценивать правильность обработки данных откачек и эксплуатации водозаборов.

6. Разработаны дополнительные рекомендации по оценке эксплуатационных запасов в пластах с перетеканием с учётом степени несовершенства и взаимного расположения водозаборных скважин.

7. Установлена, на основании теоретического анализа, взаимосвязь радиуса депрессионной воронки с дебитом скважины (водозабора) и водопроводимостью пласта в водоносных системах с перетеканием.

8. Установлено, что радиусы депрессионных воронок вокруг водозаборов подземных вод обычно составляют менее двух - трёх км. Для небольших водозаборов радиус депрессии составляет менее одного км. Данное положение позволяет целенаправленно планировать мероприятия по охране подземных вод.

9. Рекомендуется, для мониторинга техногенных изменений уровня подземных вод вокруг водозаборов, располагать наблюдательные скважины не далее половины радиуса депрессионной воронки (1-2 значения величины параметра перетекания) от центра водозабора.

Методы исследований. Основные научные и практические результаты диссертационной работы получены на основе сочетания анализа и обобщения теоретических и методических достижений гидрогеологии, в первую очередь -гидрогеодинамики, с аккуратным применением этих положений в практической деятельности. Методическая идеология диссертации базируется на убеждении, что достоверные научные результаты могут быть получены только на основе достаточно строгих теоретических моделей, адекватно описывающих изучаемый процесс. Модели необходимо обосновывать, проверять и подтверждать разнообразными натурными данными, полученными в соответствующих гидрогеологических условиях.

Защищаемые научные положения:

1. При разведке и эксплуатации подземных вод олигоцен - четвертичного гидрогеологического комплекса реализуются условия перетекания из четвертичного водоносного горизонта в олигоценовый водоносный горизонт. В этой части гидрогеологического разреза важное место занимает гидродинамическая схема пласта с перетеканием из горизонта с переменно-постоянным напором. Опытно-фильтрационные исследования необходимо выполнять с учетом стационарного режима эксплуатации водозаборов и отличительных особенностей определения гидродинамических параметров в водоносных пластах с перетеканием.

2. Анализ данных мониторинга эксплуатационных показателей водозаборов позволяет уточнить значения основных гидродинамических параметров водоносного пласта и выявить реальную гидрогеологическую ситуацию на водозаборном участке. Количественная оценка гидродинамических характеристик водозаборных скважин обеспечивает объективную оценку их технического состояния и эффективность проектных решений по общей структуре водозабора.

3. Экологическое состояние водозаборов зависит от степени их взаимодействия с природными и техногенными объектами на поверхности земли и в геологической среде. При перетекании подземных вод из четвертичного водоносного горизонта в олигоценовый водоносный горизонт в зоне влияния водозабора формируется стационарная депрессионная воронка относительно небольших размеров. Размеры депрессионной воронки определяются гидродинамическими характеристиками взаимодействующих пластов и суммарным дебитом водозабора.

Достоверность работы. Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций достигается применением основных теоретических и методических положений гидрогеодинамики, тщательным анализом многочисленных натурных данных по разведке и эксплуатации водозаборов подземных вод на территории Западной Сибири.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всероссийских совещаниях по подземным водам востока России (г. Иркутск, 2006 г, г. Тюмень, 2009 г, г. Иркутск, 2012 г); конференциях, проводившихся в рамках Уральской горнопромышленной декады (г. Екатеринбург 2004 - 2013 г.г.); научно-практической конференции «85 лет

геологической службе Урала» (г. Екатеринбург, 2005 г); международной научной конференции «Ресурсы подземных вод: Современные проблемы изучения и использования (к 100-летию Б.И. Куделина)», (г. Москва, 2010 г); международной научно-практической конференции «Питьевые подземные воды. Изучение, использование и информационные технологии», (пос. Зелёный Московской обл., 2011 г); международной научной конференции «Гидрогеология сегодня и завтра: наука, образование, практика. К 60-летию со дня основания кафедры гидрогеологии МГУ», (г. Москва, 2013 г).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 работ, в том числе 2 работы опубликованы в издании, рекомендованном ВАК Минобрнауки России.

Структура и объём диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, семи глав, заключения, списка источников, включающего 126 наименований. Объём диссертации составляет 202 страниц текста, включая 59 рисунков и 78 таблиц.

1 ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ ЭКСПЛУАТАЦИИ ВОДОЗАБОРОВ

ПРЕСНЫХ ПОДЗЕМНЫХ ВОД

1.1 Основные представления о гидрогеологическом строении

Территория, в пределах которой проводились гидрогеологические исследования, находится в центральной части Тюменской области (р