Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Закономерности изменений пластового давления в глинистых породах в процессе перетекания

ВАК РФ 04.00.06, Гидрогеология

Автореферат диссертации по теме "Закономерности изменений пластового давления в глинистых породах в процессе перетекания"

2 В 0 3 5 гг.

МИНИСТЕРСТВО ГШЛОГИИ СССР Всесоюзный научно-исследовательский институт гидрогеологии и инженерной геологии (ВСЕГИНГКр)

На правах рукописи

УДК (556.332.4:556.332.41] :04

ЧЕРНЯК Александр Гавриилович

ЗАКОНОМЕРНОСТИ ИЗМЕНЕНИЙ ПЛАСТОВОГО ДАВЛЕНИЯ В ГЛИНИСТЫХ ПОРОДАХ В ПРОЦЕССЕ ПЕРЕТЕКАНИЯ (на примере полигона "Петушки")

Специальность 04.00.06 - Гидрогеология

Автор е ф врат диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

Москва 19^0

Работа выполнена во Всесоюзном научно-исследовательском институте гидрогеологии и инженерной геологии (ВСЕГИНГЕО).

Научный руководитель - доктор геолого-минералогических

наук Б.В.Боревский.

Официальные оппоненты: доктор геолого-минералогических

наук, профессор В.А.Ыироненко;

кандидат геолого-минералогических наук В.П.Стрепетов.

Ведущее предприятие - ПГО "Центргеология".

Зашита диссертации состоится п

сА4&/?Т<^- 1990 г. в 10 ч. на заседании специализированного совета К. 071.11.01 по присуждению ученой Степени кандидата геолого-ыинералогических наук при Всесоюзном научно-исследовательском институте гидрогеологии и инженерной геологии (ВСЕГИНГЮ) по адресу: 142452, Московская обл., Ногинский р-н, пос.Зеленый, ВСЕГИНГЕО.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ВСЕГИНГЕО.

Просим Вас принять участие в работе специализированного совета или прислать Вал:и отзывы в 2-х экз., заверенные печатью, по указанному адресу на имя ученого секретаря.

Автореферат'разослан " 1990 г.

Ученый секретарь специализированного

совета, канд.геол.-мин.наук И.М.Цыпина

. • - 3 -

, . ! }

, ;з/: ^ Е ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

СС^РГ-дЦИЙ |

Актуальность работы. Одним из основных источников формиро- . вания эксплуатационных запасов подземных вод в многопластовых водоносных системах является перетекание через разделяющие с^а-бопроницаемые толщи. В условиях интенсивного водоотбора резкая дифференциация уровенных поверхностей продуктивных и питающих водоносных горизонтов многократно увеличивает гидравлические градиента, что приводит к изменениям характера перетока.

Подобная ситуация, сложившаяся в районах многих крупных водозаборов, требует учета возможных изменений фильтрационных и емкостных свойств глинистых пород при значительно возросших на них нагрузках по сравнению с опытными, на основе которых делался долговременный гидрогеологический прогноз.

В этом плане одной из наиболее актуальных научных и практических задач является детальное изучение структуры фильтрационного потока и закономерностей изменений пластового давления в глинистых породах в процессе перетекания. Практика показывает, что решение таких вопросов на стадии разведочных работ на конкретных месторождениях экономически нецелесообразно, а порой и практически неосуществимо, т.к. требует проведения нескольких циклов крупномасштабных опытно-фильтрационных опробований с широким комплексом сопутствующих полевых и лабораторных методов исследований. Наблюдения в период эксплуатации в данном случае также малоэффективны, поскольку режим и интенсивность водоотбора определяются нуждами потребителя, часто меняются и не всегда фиксируются.

Необходимые для решения поставленных задач условия - целенаправленные опытно-фильтрационные работа различного вида с заданными дебитом, продолжительностью возбуждения, возможностью его повторения и сопровождения специальным комплексом наблюдений - можно создать только на опытных полигонах, организуемых в типовых геолого-гидрогеологических условия* и предназначенных для комплексных исследований закономерностей формирования запасов подземных вод.

Целью диссертационной работы является изучение закономерностей формирования режима пластовых давлений в разделявшей толще верхнеюрских глин в процессе перетекания между водоносными горизонтами в естественных условиях и при техногенной.нагрузке на глинистый пласт.

Основные задачи исследований

1) Выявление основных факторов формирования режима пластового давления в глинах в существующих слабонарушенных гидрогеологических условиях полигона "Петушки".

2) Интерпретация экспериментальных данных, полученных в результате применения комплекса методов для изучения изменений свойств верхнеюрских глин и режима пластового давления в них под влиянием естественных факторов и в условиях техногенного воздействия.

3) Изучение изменений водопроницаемости глинистого пласта при воздействии на него высоких гидростатически* нагрузок.

4) Рассмотрение основных закономерностей перетекания через верхнеюрскую разделяющую толщу, обусловленных изменениями свойств глинистых пород под влиянием опытно-эксплуатационных возмущений

в нижележащем водоносном горизонте.

Методика исследований включала:

1) Анализ теоретических представлений об основных факторах, определяющих фильтрационные свойства глин и перетекание между водоносными горизонтами.

2) Выбор и использование наиболее рационального комплекса полевых методов исследований для решения поставленных задач.Комплекс включает: гидродинамические методы оценки интенсивности перетекания, использующие для расчетов данные об изменениях напоров в смежных водоносных горизонтах и пластового давления непосредственно в глинистом пласте с помощью малоинерционных датчиков давления; геотермический метод оценки скорости фильтрации в глинах; методы гамма-гемма (ГШ» нейтрон-нейтронного (НИК) и волнового диэлектрического каротажа (ДЦК) для оценки изменений плотности и влажности глинистых пород; метод кажущегося сопротивления (КС) для качественной оценки структурных преобразований в глинах.

3) Комплексирование различных по виду, масштабу, продолжительности опытно-фильтрационных работ для выявления изменений свойств верхнеюрской толщи глин и связанных с ними изменений характера перетекания. Опытно-Фильтрационные работ включали откачки раздельно из каждого продуктивного водоносного горизонта, совмещенные откачки из двух водоносных горизонтов, нагнетания в центральные и в наблюдательные скважины на фоне откачки, а также нагнетания в глинистый пласт.

4) Сопоставление данных лабораторных и натурных экспериментальных исследований уплотнения верхнеюрской толщи глин под влиянием техногенных нагрузок.

Научная новизна работа:

1) Выявлены и систематизированы основные факторы формирования режима пластового давления в глинистых породах: естественные, не связанные с техногенным воздействием на среду и действующие постоянно и независимо от остальных; искусственные, связанные с влиянием регионального водоотбора из продуктивных водоносных горизонтов; искусственные, действующие при целенаправленных возбуждениях глинистого пласта и смежных с ним водоносных горизонтов.

2) Доказана возможность изменения характера перетекания через разделяющую слабопроницаемую толшу под влиянием процессов уплотнения и разуплотнения слагавших её глинистых пород. <)т процессы, различной интенсивности в плане и по глубине, проявляются вследствие многократных и долговременных понижений пьезометрических уровней при откачках подземных вод.

3) В рамках принятой модели гетерогенного строения разделяющего пласта обоснована экспериментально полученная разница в величинах фактических и расчетных понижений в глинах, возникавшая при расчетах гидродинамическими методами по схеме одномерной фильтрации с использованием данных о положении уровней смежных водоносных горизонтов.

4) Экспериментальным путем установлена возможность фильтрации воды в глинистом пласте с большим расходом по аномально проницаемым зонам, совпадеткм по направлению с природной треяинова-тостью. Активное поглощение воды происходит при гидростатическом напоре, близком по величине к пределу структурной прочности данных глинист« пород.

Практическая значимость работы заключается в то«, что полученные результаты способствуют совершенствованию методов и методики исследований взаимосвязи водоносных горизонтов в многопластовых водоносных системах. В процессе проведения разведочных работ на конкретных участках должны быть получены опорные данные для прогноза изменений гидрогеологических параметров разделяющих глинистых толш; необходимые коррективы в эти данные можно ввести, используя результаты исследований на опытном полигоне "Петушки".

Апробация работа и публикации.

Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на конференциях молодых ученых ВСЕГИНГЕО (пос.Зеленый, 1986, 1967), в Московском географическом обществе (1986), на научной конференции МГРИ (1987), на Всесоюзных школах передового опыта (пос.Зеленый, 1987, 1989), на Всесоюзном съезде инженеров-геологов, гидрогеологов и геокриологов (Киев, 1988), экспонировались на ВДНХ СССР (1986).

По теме диссертации автором опубликовано 6 работ (из них три в соавторстве).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка использованной литературы из 124 наименований. Содержание работы изложено на 168 с. машинописного текста, включает 35 рисунков и 12 таблиц.

Автор выражает искреннюю признательность научному руководителю д-ру геол.-мин. наук Б.В.Боревскому и глубокую благодарность за помошь в работе д-ру геол.-мин. наук, профессору В.М.Гольдбер-гу.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глава I. АНАЛИЗ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ПЕРЕТЕКАНИЯ ЧЕРЕЗ ГЛИ

ЮМЕНЕНИЙ ПЛАСТОВОГО ДАВЛЕНИЯ НА ШЬТРАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА ГЛИН

Первая глава посвяпена рассмотрению роли слабопроницаешх отложений в формировании эксплуатационных запасов пресных подземных вод в многопластовых водоносных системах, выявлению основных

факторов, определяющих фильтрационные свойства глин и их изменения под влиянием водоотбора.

Количество воды, поступавшей в продуктивный водоносный горизонт из смежных с ним слабопроницаемых толщ в ряде случаев может быть весьма значительным. По данным исследований на крупных действующих водозаборах и разведочных участках в Московском, Днепрово-Донецком, Причерноморском, Тобольском и других артезианских бассейнах, за счет сработай упругих емкостных запасов разделяющих глинистых толщ и перетока через них формируется до 70-90 % ресурсов пресных подземных вод (Б.В.Боревский, Д.И.Ефремов, Т.А.Плугина, Л.А.Субботина, Л.С.Язвин и др.). По мере увеличения продолжительности водоотбора доля перетока возрастаете упругого отжатия уменьшается.

Перетекание через разделяющие глинистые толщи и отжатие из них воды - сложные и многофакторные процессы, к изучению которых в различных геологических дисциплинах применяется различный подход: в инженерной геологии этот подход основан на исследовании физико-химического взаимодействия в системе "вода - глинистые минералы", при гидрогеологических расчетах - на схематизации природных условий и структуры потока, в механике грунтов - на феноменологическом рассмотрении процессов взаимодействия твердой и жидкой фаз.

Свободной фильтрации воды через глинистые породы препятствует наличие физически связанной воды со свойствами, характерными для неньютоновских жидкостей, заполняющей большую часть поро-вого пространства тонкодисперсных пород. При испытаниях на образцах это приводит к отклонениям от линейного закона фильтрации и проявлению начального градиента, теоретическому обоснованию и экспериментальным проверкам которых посвящены многочисленные работа Н.Н.Павловского, Н.П.Пузыревского, К.П.Лундина, П.А.Ребин-дера, Б.В.Дерягина, Н.Ф.Бондаренко, С.В.Нерпина, Н.З.Чураева, В.М.Павилонского, Г.М.Березкиной, А.Г.Арье и др.

Причиной несоответствия между водоупорными свойствами глин и их значительной ролью в формировании эксплуатационных запасов подземных вод в первую очередь являются неоднородность и дефекта структуры реальных глинистых сред. Это отчетливо видно при

сопоставлении данных лабораторных и полевых определений коэффициента фильтрации глин, показывавших занижение первых перед вторыми на 2-3 порядка. На активную роль трещин в процессе фильтрации и перетекания через разделяющие толщи указывают многие исследователи: Б.В.Боревский, И.А.Бриллинг, Д.И.Ефремов, Л.И.Кульчицкий, Т.А.Илугина, С.М.Семенова-Ерофеева и др., подтверждается-это описаниями керна скважин, обнажений, стенок тоннелей, а также натурными экспериментами.

Для оценки параметров перетекания используется комплекс методов, основанных на предпосылке Мятиева - Гиринского об одномерности потока в разделяющем глинистом пласте. При этом практически все расчетные зависимости построены на решении дифференциального уравнения фильтрации в линейно-деформируемой, однородной, пористой среде. В работе показано, что такая схематизация не всегда соответствует реальной обстановке, для которой характерна повышенная проницаемость, обусловленная трещиноватоетыо, наряду с высокой влагоемкостью массива в целом.

Модели гетерогенных трещиновато-пористых сред, предложенные Г.И.Баренблаттом, Ю.П.Желтовым, В.Ы.Шестаковым, А.А.Рошалем, И.С.Пашковским, более полно отвечают естественному строению глинистых пластов верхних частей разрезов в многопластовых водоносных системах. В среде с двойной пористостью, с известными допущениями рассматриваемой как сплошной, коэффициент пьезопроводно-сти (X характеризуется проницаемостью трещин и упругоемкостыо слабопроницаемых блоков и поэтому является величиной, переменной во времени, т.к. проницаемость и сжимаемость пород по разному зависят от изменения давления в пласте. Перераспределение давлений в трещинах при водоотборе происходит значительно быстрее,чем в блоках; соответственно и изменения проницаемости должны сказываться раньше и сильнее, чем изменения емкости. Это подтверждается полученными в лабораторных условиях зависимостями изменений проницаемости от гидростатического давления (Г.Ы.Березкина, В.Ы. Гольдберг, Н.П.Скворцов), а также зафиксированными в натурных экспериментах изменениями пьезопроводности глинистых пород в процессе их депрессионного уплотнения (в.А.Мироненко, Т.А.Плугина).

Депрессионное уплотнение водонасышенных глинистых толщ,при котором фильтрация воды подчиняется закону Дарси, а изменение пористости происходит по компрессионной зависимости, всесторонне рассмотрено в теории фильтрационной консолидации (К.Терцаги, Н.М.Герсеванов, В.А. Флорин, H.A.Цытович, Н.Н.Веригин, Rendutic, Curiffe, ßbt-fotiA, &¿S so/i, Teytor и др.).

Учет реологических свойств глинистых пород - в первую очередь ползучести - ближе отвечает реальной действительности, чем это следует из решений, основанных только на теории чисто фильтрационной консолидации. При этом обосновывается и частичная необратимость деформаций глин в случае восстановления первоначальных условий. Вопросы деформируемости сред, обладающих реологическими свойствами, освещаются в работах В.А.Флорина, Н.А.Цытови-ча, М.Н.Гольдштейна, Ю.К.Зарецкого, З.Г.Тер-Ыартиросяна, С.Р.Уес-чяна и др.

Наличие остаточных деформаций предполагает изменения емкости и проницаемости .глинистой толщи. В рамках принятой модели гетерогенного строения среды это означает, что изменения емкости происходят в результате уплотнения слабопроницаемых блоков, а проницаемости - за счет уменьшения трещинного пространства. Однако величина необратишх деформаций при одних и тех же внешних нагрузках тем выше, чем менее уплотнены глинистые породы за всю предыдущую историю их развития. Таким образом, реальные изменения емкости при сравнительно небольших депрессионных нагрузках будут заметны преимущественно в недоуплотненных и нормально уплотненны* разделяющих глинистых толщах (коэффициент уплотнения ^ I), в то время как даже минимальное сокращение раскрытости трещин приведет к существенному уменьшению проницаемости пород любой степени уплотнения, а следовательно, и к заметным ошибкам в прогнозных оценках перетекания при неучете этого фактора.

Методика учета влияния депрессионной нагрузки на многопластовые водоносные системы в процессе разведки разработана явно недостаточно, что вызывает серьезные проблемы при оценке эксплуатационных запасов и снижает достоверность выполняемых прогнозов. Решение этих вопросов связано с проведением длительных опытно-фильтрационных опробований и применением специального комплекса

полевых и лабораторных методов исследований. Кроме того, одним из важнейших условий является возможность сравнения, данных опытных работ и прогнозов с аналогичными по составу наблюдениями при послздуюшей эксплуатации. Поэтому постановка таких исследований целесообразна на опытных полигонах, организуемых в типовых гео-лого-гидрогеологиче?ких условиях и предназначенных дня натурного изучения закономерностей формирования эксплуатационных запасов подземных вед с происходящих при этом физических процессов.

.'лавя II. Га><СГО-ГМРОГШОГИЧЬСК№ УСЛОВИЯ УЧАСТКА ПОЛИГОНА "ПЕТУШКИ"

Эксперимента:ьный полигон "Петушки" организован ВСЕГИНГЕО в г с целью ¡зучеьия условий Нормирования эксплуатационных запас он пресных подземных вод в многопластоьых водоносных системах. Полигон создан на базе опытно-методического куста, сооруженного з ходе разведочных работ по переоценке эксплуатационных запасов пресных педзомньх вод Орехово-Зуевского промрайона, и приурочен к восточному во^озаборноцу участку Среднеклязьминского месторождения, выделенного в центральной части Московского артезианского бассейна по рэзультатам этих работ (Б.В.Боревский, М.В,Кочетков, В.И.Реутов),

'.Эксплуатационные запасы Среднеклязьминского месторождения -одного из крупнейших з Московском артезианском бассейне - сконцентрированы в двух водоносных горизонтах - клязьминско-ассель-ском и касимовском. Под влиянием долговременной (более 100 лет) эксплуатации водозаборов в близлежащих городах Орехово-Зуево, Павловский Посад, 1'окрсв, Киржач и другие гидрогеологическая обстановка в районе месторождения нарушена: пьезометрические поверхности продуктивных зодскосных горизонтов монотонно снижаются и уже снизились на 15-45 м, в результате чего произошла инверсия уровней в областях разгрузки.

Разработка Среднеклязьминского месторождения, начавшаяся в 1987 г., проводится поэтапно: на первом этапе осваивается его западная часть, на последнем - предположительно к 2000 г. - восточная.

3 восточной части в настоящее время наблюдается наименьшая нарушенность гидрогеологических условий, что в совокупности с удаленностью.от "литологических окон" в зерхнеюрской слабопроницаемой толще, характерным геолого-гидрогеологическим разрезом и хорошей его изученностью предопределило заложение здесь полигона; такое расположение обусловливает возможность постановки длительных наблюдений за изменениями водообмена и влиянием этих изменений на окружающую среду.

Гидрогеологические условия участка полигона типичны дня артезианских бассейнов платформенных областей и определяются многослойным строением разреза, взаимосвязью продуктивных и питающих водоносных горизонтов между собой и с поверхностными водами р. Клязьмы через разделявшие слабопроницаемые тслши.

Продуктивные водоносные горизонты - клязьминско-ассельзкий и касимовский - со средней водопроводимостью соответственно 2400 и 4000 м^/сут приурочены к трещиноватым карбонатным породам позднекаменноугольного возраста. Они разделены между собой выдержанной 12-метровой щелковской толщей глин и отделены от верхнего (питающего) четвертично-мелового водоносного комплекса 30-метровой верхнеюрской глинистой толшей. Четвертично-меловой комплекс представлен песчано-глинистыми отложениями и непосредственно связан с поверхностными водами. Касимовский водоносный горизонт подстилается кревякинской водоупорной глинистой толщей, ниже которой залегает мячковско-подольский водоносный горизонт, обладающий в данном районе низкими фильтрационными свойствами.

В описываемой части разреза основным объектом исследований служит верхнеюрская слабопроницаемая толща, определяющая величину и интенсивность восполнения запасов продуктивных водоносных горизонтов при эксплуатации Среднеклязьминского месторождения подземных вод.

Верхнеюрская толша предотавлена известковистыми, алевритис-тыми глинами келловейского, оксфордского, кимериджского и волжского ярусов и образована в условиях мелководного морского бассейна с нормальной соленостью, способствовавших■отложению тон:еодио-персных глинистых осадков, преобразованных в глины в результате геохимических процессов, дегидратации и уплотнения. Максимальная

геостатическая нагрузка на глины пришлась на период днепровского оледенения, вслед за чем последовали поднятия и размыв, уменьшившие нагрузку на кровлю пласта. В результате в настоящее время коэффициенты уплотнения верхнеюрских глин варьируют от 1,12 до 1,44, т.е. вся толща находится в переуплотненном состоянии.

Неспокойный тектонический режим Русской платформы в течение юрского и мелового периодов, а также периодические уплотнения и разуплотнения привели к образованию и развитию в пласте нескольких систем трещин, основными из которых являются горизонтальная, пологонаклонная, крутонаклонная и вертикальная.

Приведенный в работе анализ характеристик физико-механических свойств и гидрогеологических параметров верхнеюрских глин показал, что именно природной трешиноватостыо определяются их прочностные, деформационные и фильтрационные свойства. Учитывая высокую общую пористость (46-57 %) и значительную водоудерживаю-щую способность глин, верхнеюрскую разделяющую толщу на участке полигона "Петушки" целесообразно рассматривать как среду с двойной пористостью, с преимущественно трещинной природой перетекания.

Глава Ш. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РАБОТЫ ПО ИЗУЧЕНИЮ ИЗМЕНЕНИЙ СВОЙСТВ РАЗДМЛМЖ ГЛИНИСТЫХ ТОЛЩИ ХАРАКТЕРА ПЕРЕТЕКАШЛ НА ПОЛИГОНЕ "ПЕТУШКИ" .

С распределением пластового давления по разрезу разделяющей слабопроницаемой толщи связаны как изменения физико-механических свойств слагающих её глинистых пород, так и интенсивность перетекания между водоносными горизонтами. Поэтому основной задачей экспериментальных работ на полигоне "Петушки" стало изучение натурным способом режима пластового давления в верхнеюрских глинах и его изменений под влиянием естественных и искусственных факто-^ор. Так как решение этой задачи является необходимым, но недостаточным условием для оценки изменений гидрогеологических параметров разделяющего пласта, то в задачи исследований входило, также, выявление изменений характера перетекания и изменений физических свойств глинистых пород независимыми друг от друга методами.

В соответствии с решаемыми задачами в основу экспериментальной работа на полигоне "Петушки" были положены три группы методов:-

1. Для изучения режима пластового давления в слабопроницаемом слое использовались данные о положении уровней подземных вод в смежных водоносных горизонтах по открытым пьезометрам и измерения непосредственно в глинистом пласте с помощью малоинерционных датчиков давления. Такая комбинация позволила на каждый конкретный момент времени определить граничные условия на кровле

и подошве разделяющей толщи, а также дифференцированно по её раз- ' резу оценить перераспределение эффективных и нейтральных напряжений.

Кроме того, данные измерений пластового давления в глинах послужили основой для расчетов пьезопроводности отдельных интервалов пласта по приближенным зависимостям, выведенным В.М.Шеста-ковым, В.А.Мироненко, И.С.Пашковским.

2. Для оценки интенсивности перетекания использовался гидродинамический метод, основанный на данных об изменениях уровней подземных вод в смежных водоносных горизонтах. При этом обработка данных производилась графоаналитическим методом, с построением графиков временного и площадного прослеживания.

3. Для изучения изменений физических свойств глинистых пород в натурных условиях были использованы косвенные - геофизические - методы. Они включали: метод гамма-гамма каротажа (ГГК) для оценки изменений плотности по разрезу слабопроницаемой толщи; методы нейтрон-нейтронного каротажа (ННК); волнового диэлектрического каротажа (ВДК) - для оценки изменений влажности пород; метод кажущегося сопротивления (КС) - для определения направления и интенсивности процессов структурных преобразований в глинистом пласте под влиянием водоотбора из смежного с ним водоносного горизонта.

Получение количественных характеристик обеспечивалось корреляцией геофизических данных с результатами лабораторных- определений физико-механических свойств верхнеюрских глин.

Методика экспериментальных работ состояла в выделении и си стематизации факторов, формирующих режим пластового давления в

верхнеюрской разделяющей толше, и в последовательном изучении их влияния на физические свойства глин и интенсивность перетекания между водоносными пластами.

Для получения более обоих закономерностей режима пластового давления в глинистых породах к анализу привлекались данные исследований в Шелковской разделяющей толше.

По характеру и степени воздействия на глинистый пласт факторы подразделяются на естественные, не связанные с техногенным воздействием на среду; искусственные, вызванные влиянием регионального водоотбора из продуктивных водоносных горизонтов; искусственные, действующие при целевых возмущениях в смежных с.глинами водоносных горизонтах; искусственные, действующие при непосредственном возбуждении глинистого пласта.

В ходе исследований установлено, что в существующих слабо-нарушенных условиях полигона "Петушки" при отсутствии опытных возмущений режим пластового давления в глинах определяется суммой естественных и искусственных факторов, главными из которых являются вариации атмосферного давления, сезонные колебания уровней подземных вод мезозойско-кайнозойского водоносного комплекса и поверхностных вод, а также региональное снижение уровней клязь-минско-ассельского и касимовского водоносных горизонтов.

Экспериментально подтверждено линейное распределение пластового давления по разрезу каждой разделяющей толщи. При этом для верхнеюрской толщи его изменения под влиянием сезонных колебаний уровня мелового водоносного горизонта и вариаций атмосфер ного давления по абсолютной величине значительно превосходят изменения, происходящие в результате монотонного снижения напоров клязьминско-ассельского водоносного горизонта. Для щелковской толщи наиболее значимым фактором в изменениях пластового давления является падение напоров касимовского водоносного горизонта, вызванное усилением его эксплуатации в последние годы.

Анализ влияния естественных факторов на режим пластового давления в разделяющих толщах показал, что оно в значительной мере определяется несовершенством скважин. Для учета этого влияния при целевых возмущениях в смежных водоносных горизонтах степень взаимосвязи естественных факторов с изменениями пластового

давления определялась конкретно для каждого установленного датчика.

Вариации атмосферного давления никак не сказываются на физико-механических свойствах верхнеюрских глин (в пределах точности геофизических методов исследований), однако паводковые повышения уровней мелового и четвертичного водоносных горизонтов на 1,5-2,5 м вызывают слабые обратимые уплотнения всей разделяющей толщи, зафиксированные методами ГГК и ДЦК.

На фоне полученных характеристик, отражающих влияние естественных факторов и регионального водоотбора, оценивались изменения свойств глинистых пород, вызванные целевыми возмущениями в продуктивных водоносных горизонтах. Для этого на полигоне "Петушки" в период с 1980 по 1987 гг. был проведен комплекс опытно-фильтрационных работ, включавший ряд крупных долговременных откачек и нагнетаний, причем сравнимые режимы возбуждения, продолжительность и дебита дали возможность сопоставить их результата.

Снижение пластового давления в глинах под влиянием водоотбора из нижележащего водоносного горизонта осложняется рядом факторов, преимущественно технического характера: неравномерным ростом понижений в опробуемом водоносном горизонте при колебаниях дебита, случайными остановками откачек и т.п. Проведенная в работе графическая диагностика изменений пластового давления выявила в них периоды, отвечающие только ходу откачки, по которым возможно вычисление коэффициентов пьезопроводности верхнеюрских глин.

Значения коэффициентов, рассчитанные для различных интервалов от подошвы верхнеюрской толщи до каждого установленного в них датчика давления, показали закономерное возрастание этого параметра, достигающее двух порядков (от 0,05-0,15 до 5,57,5 м^/сут) по мере увеличения мощности исследуемого интервала. Зависимость имеет экспоненциальный вид, характерный для зависимости изменений коэффициентов пьезопроводности от расстояния до наблюдательных скважин при откачках из водоносных горизонтов с двойной пористостью.

Кроме того, установлено уменьшение коэффициентов пьезопроводности верхнеюрских глин, определенных при последующих откачках

по отношению к предыдущим, а также значительные (до 10-23 сут) запаздывания в восстановлении пластового давления после откачек.

Исследования методами радиоактивного и волнового диэлектрического каротажа указывают на увеличение плотности глин в процессе откачек в направлении от кровли к подошве и от периферии к центру воронки депрессии и, одновременно, на возможное разуплотнение верхнеюрской толши на периферийных участках зоны влияния водоотбора.

Результаты откачек из клязьминско-ассельского водоносного горизонта обработаны графоаналитическим методом по зависимостям ,5/61 £ и -т- . Они показали рост удельных пониже-

ний в центре полигона на 30-40 % при'повторных откачках по сравнению с первой, характеризующей практически неизмененные водопо-нижениями свойства многопластовой системы. При этом разница в величинах удельных понижений возрастает с приближением к центру депрессионной воронки.

Анализ влияния различных факторов на величину удельных понижений и форму депрессионной воронки при повторных откачках позволил установить, что наиболее весомый вклад в них вносит изменение по площади притока воды из верхнеюрской разделяющей толщи.

Глины находятся в переуплотненном состоянии, поэтому снижение взвешивавшего гидростатического давления при откачках, эквивалентное дополнительной нагрузке на пласт в 0,5-0,9 кг/см^ не может повлиять на емкость слабопроницаемых блоков и, соответственно, общие изменения притока воды в откачиваемый водоносный горизонт связаны с изменениями трещинной проницаемости глин.

Замедленное изменение пластового давления при повторных откачках и после их окончания на фоне полностью обратимых изменений плотности слабопрсницаемого слоя также указывают на сокращение раскрытости трещин в верхнеюрской разделяющей толще в центральной части полигона.

В работе приведены эпюры снижения пластового давления при откачках, показывающие, что около 90 % потерь напора (а соответственно и приращений эффективных напряжений) приходится на самый нижний интервал глинистого пласта, где и происходят, вероятно, необратимые изменения проницаемости трещин.

Ориентировочная оценка этих изменений при повторной откачке по отношению к первой показала уменьшение коэффициента фильтрации верхнеюрских глин в 1,5-2,5 раза в центре воронки депрессии (см.таблицу).

В периферийных областях воронки депрессии (скв. 165) касательные напряжения в основании глинистой толши приобретают» видимо, больший удельный вес, чем в центре депрессии, что приводит к незначительному расширению вертикальных и крутонаклонных трещин и к усилению перетока.

Для оценки роли остальных систем трещин в формировании режима пластового давления в глинистых породах в диссертации приведены результаты специальных исследований щелковской слабопроницаемой толщи при различных видах возбуждения смежных с нею водоносных горизонтов.

Экспериментально установлено, что фильтрация по трещинам субгоризонтального направления может приводить к заметной разнице в величинах фактического и расчетного пластового давления в глинах при использовании схемы одномерной фильтрации. На конкретных примерах показано, что снижение и повышение пластового давления, измеряемые в щелковской разделяющей толще, отвечают изменениям уровней касимовского и клязьминско-ассельского водо-нсзных горизонтов в точках, находящихся в плане значительно ближе к источнику возбуждения.

Для доказательства того, что в натурных условиях возможен переток по трещинам значительного расхода воды, в работе рассмотрены вопросы фильтрации в глинах при больших градиентах напора..

Серия кратковременных экспериментов по нагнетанию воды в верхнеюрский глинистый пласт при различных ступенях давления показала, что активное поглощение происходит при.избыточном напоре 0,6-1,0 МПа, примерно соответствующим пределу структурной прочности глин, определенному по данным лабораторных испытаний.

Основной поток при нагнетании дебитом около 7 л/с происходит по локальной зоне, совпадающей по направлению с крутонаклонной трещиной. Поэтому можно предположить, что в глинистом пласте произошел гидроразрыв.

Сопоставление результатов откачек 1980 и 1983 гг.

Параметр Время от начала Значения параметров при откачках 1980/1983 гг. скважинам по

откачки, сут 155 157 159 163 165

5/0. • Ю-4 сут/м2 10 20 39 4.58 57Ш 4.67 5,50 4.82 575? 3.50 3755 3.62 3^80 3.68 зтзи 2.58 2.64 2,96 2.72 5705 2735 3.90 4,44 4.00 ?755 1.52 Т733 1.62 1,50 тЙ

В,м 10 20 39 13800 40000 16000 6Й00 20400 75700 10700 12900 12500 16500 13600 19100 8400 12500 9400 151ГО 10900 17800 16200 40000 20400 42?00 23000 51600 1800 1450 2050 ТБ5П 2400 2000

К0,м/сут 10 20 39 3.8*10"^ 4,5*10~° 2.8-Ю-4 1,8- 10"ь 1.7-Ю-4 1,3* Ю-5 6.4« Ю~4 4,3-Ю-0 4.7- КГ4 2,7-Ю"4 3.9-Ю-4 2,0'Ю-4 1.0« Ю-3 4,6-10-4 8.0-Ю-4 3,2*10-4 6.1-Ю-4 2,3* Ю"4 2.7 «Ю-4. 4,5.10" 5 1.7-Ю-4 4,0-Ю"5 1.4. Ю"4 2,7-Ю-5 2.3*10"^ 2,8-10"* 1.7« Ю-2 • 2,5.10"* 1.2- КГ2 1,8-Ю-2

Самоизлив из глины по окончании опыта, при котором около 30 % закачанной воды вышло в течение первого часа, свидетельствует о значительной упругой водоотдаче трещин в условиях нагнетания.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведенные на полигоне "Петушки" экспериментальные исследования показали, что в процессе эксплуатационного или долговременного опытного водоотбора в многопластовой водоносной системе, фильтрационные свойства разделяющих слабопроницаемых толш могут измениться. Изменения происходят как в сторону уменьшения проницаемости глинистых пород в области значительных водопонижений, так и в сторону её увеличения в периферийных частях воронки депрессии.

В процессе выполненных работ были получены следующие результаты и выводы:

1. Верхнеюрская слабопроницаемая толша в районе полигона "Петушки" сложена переуплотненными глинами и обладает значительными емкостными запасами. В то же вреця, она осложнена структурными нарушениями в виде нескольких систем трещин, определяющих повышенные фильтрационные свойства, что позволяет рассматривать ее как среду с двойной пористостью.

2. Структурные особенности верхнеюрских глин обосновывают вероятный упруго-пластический характер их деформаций, а соответственно и частично необратимые изменения фильтрационных свойств при изменениях взвешивающего гидростатического давления.

3. Резким пластового давления в глинах формируется под влиянием естественных и искусственных факторов, главными из которых являются вариации атмосферного давления, положение уровней смежных водоносных горизонтов, поверхностных и грунтовых вод.

4. Сезонные повышения урЬвней поверхностных и грунтовых вод и снижения пьезометрического напора клязыошско-ассельского водоносного горизонта в периоды откачек вызывают слабое обратимое уплошение верхнеюрской толем. Однако в подовве толай под влиянием опытных водопонижений прокзовло необратимое, уменьаенмеко-

эффициента фильтрации глин в 1,5-2,5 раза в центральной части зоны депрессии, обусловленное уменьшением раскрытия трещин.

5. Фильтрация по развитым в глинах системам трещин может приводить в условиях водоотбора к заметной разнице величин фактических и расчетных понижений в разделяющем пласте при использовании схемы одномерного потока,

6. При больших градиентах напора в условиях вероятного гидроразрыва глины способны поглощать и пропускать большие количества воды по аномально проницаемым зонам, обусловленным природной трещиноватостью.

7. Установленный факт изменений фильтрационных свойств глин под влиянием опытных водопонижений требует учета при изучении закономерностей формирования эксплуатационных запасов подземных вод в многопластовых водоносных системах в районах действующих водозаборов, с одной стороны, и при прогнозе снижения уровней при эксплуатации - с другой.

8. Полученные результаты указывают, что в процессе относительно кратковременных разведочных работ на конкретных участках должны быть получены опорные данные для прогноза изменений гидрогеологических параметров разделяющих толщ,, необходимые коррективы в которые для последующих стадий разведки и условий эксплуатации водозаборов возможно ввести при использовании результатов натурных исследований на опытных полигонах и специальных лабораторных исследований.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Исследование изменений гидростатических давлений в глинах под влиянием естественных факторов для оценки взаимосвязи водоносных горизонтов. - В сб.: Изучение условий формирования эксплуатационных ресурсов пресных подземных вод. М,: ВСЕГИНГВО, 1965* р. 49-55...............

2. Исследование динамики пластового давления в глинах в процессе дпытно-фмльтрационных работ на полигоне "Петушки". - В сб.* бмэкческие процессы горного произзодства. 4яльтрационныв и миграционные процессы в массиве горных пород. Д.: ЛГИ, 1985 (соав-

торы Б.В.Боревский, Т.А.Плугина, Л.С.Язвин, Ф.Г.Атрошенко), с. 79-86,

3. Комплекс полевых методов исследований изменений свойств глин под влиянием водоотбора. - В сб.: Методы исследований в гидрогеологии. М.: ВСЕГИНГЕО (рук. депон. в ВИНИТИ 05.06.87 г., » 4072-В87), с. 96-103.

4. Изменения характера перетекания через верхнесрскую раздел ятоую толшу при повторных опытно-эксплуатационных откачках на полигоне "Петушки". - В сб.: Актуальные вопросы гидрогеоло^-гии, инженерной геологии и геокриологии". М.: ВСЕГИНГЕО (рук. депон. в ВИНИТИ 09.02.88 г., № 881-В88).

5. Основные результата опытно-фильтрационных опробований на полигоне "Петушки". - В сб.: Изучение и оценка эксплуатационных ресурсов питьевых и технических вод. М.: ВСЕГИНГЕО, 1988,

с. 73-93 (соавторы Б.В.Боревский, М.В.Кочетков, Т.А.Плугина, В.И.Реутов).

6. Изучение изменений геологической среды под влиянием водоотбора на опытно-экспериментальных полигонах и результаты исследований на полигоне "Петушки". - Тезисы докл. I Всесоюз.съезда инженеров-геологов, гидрогеологов и геокриологов. Ч.З. Киев, 1988, с. 35-37 (соавторы Б.В.Боревский, М.В.Кочетков, Т.А.Плугина, В.И.Реутов, Н.Н.Шарапанов).

Л. - 34085. Подписано в печать 15.02.90 г. Заказ 82

Формат 6Gx90Vl6. Уч.-иэд.л. - 1,0. Тира« 100 экз. Ротапринт ВСЕГИНГЕО Московская обл.. Ногинский р-н, пос.Зеленый