Бурение скважин | Технология | Цены | Фото и видео | Техническая литература
    
   

Исследования в стадии эксплуатации месторождения
 






Техническая литература



Станок для бурения БУР-50:
Бурение скважин
  Исследования в стадии эксплуатации месторождения

В стадию эксплуатационной разведки основным видом гидрогеологических исследований является комплексное изучение режима подземных вод во всех водоносных горизонтов, распространенных на месторождении. Перед комплексом режимных наблюдений были поставлены следующие задачи: а) изучение условий формирования депрессионных воронок на всех действующих водозаборах;

б) изучение режима суммарного отбора подземных вод на каждом водозаборном участке и по всему месторождению в целом; в) уточнение значений гидрогеологических параметров продуктивного водоносного горизонта;

г) изучение режима химического состава подземных вод;

д) изучение условий гидравлической связи поверхностных и подземных вод, включая подземные воды четвертичных отложений, мезо-кайнозойских и продуктивных горизонтов.

Для решения перечисленных задач на водозаборных участках и между ними необходимо создать опорную наблюдательную сеть и организовать поинтервальное опробование из наблюдательных скважин.

Наблюдательные скважины на участках располагались в виде ярусной системы на каждый водоносный горизонт, как это показано на рис. 58. К сожалению, на нижний водоносный горизонт, содержащий минерализованную воду, была пройдена одна наблюдательная скважина, что оказалось недостаточным для общей оценки условий миграции минерализованных вод. Всего на водозаборных участках для создания опорной режимной сети была пробурена 71 наблюдательная скважина по шести магистральным лучам, охватывающим площадь в радиусе 34—62 км.

Стационарные режимные наблюдения за качеством отбираемых подземных вод продуктивного горизонта показали, что в 1976 г. по сравнению с 1964 г. на городских водозаборах (в 21 скважине) произошло увеличение общей минерализации, общей жесткости и содержания фтора, хлоридов, сульфатов. Так, общая минерализация возросла от 0,76 до 0,87 г/л, содержание фтора с 2,33 до 3,14 мг/л, хлоридов со 111 до 277 мг/л, сульфатов со 180 до 280 мг/л. Кроме того, произошло изменение химического состава подземных вод, выразившееся в сокращении мощности зоны гидрокарбонатных вод и распространении вод гидрокарбонатно-сульфатного и гидрокарбонатно-сульфатно- хлоридного составов (за счет внедрения подземных вод нижних водоносных горизонтов).

Наблюдениями за режимом уровней подземных вод по району установлено, что общая площадь депрессионной воронки достигла примерно 1500 км2. Снижение уровня в центре депрессии достигло 66,5 м, остаточные напоры не превышали 20 м. Средние годовые темпы снижения уровня при эксплуатации на 1976 г. достигали: 2,85 м в центре депрессии; 1,7—2,8 м в радиусе 3,6—9,5 км от центра и 1,4—2,0 м на расстоянии 22—24 км от центра. Отмечено также сравнительно небольшое (0,2—0,3 м). снижение уровня в верхнем нижнекелловей-батском водоносном горизонте. Таким образом, на водозаборных участках в процессе эксплуатации подземных вод продуктивного горизонта наметилась тенденция к ухудшению качества воды питьевого назначения, что в дальнейшем могло привести к выходу из строя хозяйственно-питьевых водозаборов.

Учитывая сложность гидрогеохимических условий территории, фильтрационную неоднородность водовмещающих пород, наличие взаимодействия между водоносными горизонтами, а также между подземными и поверхностными водами, было принято решение по результатам эксплуатационной разведки произвести переоценку эксплуатационных запасов подземных вод в целом по месторождению методом математического моделирования на аналоговых устройствах, что позволит выбрать для данного месторождения наиболее рациональные условия эксплуатации и оценить общие его перспективы.

На первом этапе моделирования были решены обратные задачи по опыту эксплуатации водозаборов с целью уточнения расчетных гидрогеологических параметров водоносных пород и расчетной схемы. Моделирование было выполнено под руководством В. С. Плотникова. Для моделирования была принята расчетная схема из трех водоносных слоев (комплексов), распространенных в плане, для условий «бесконечного» пласта с двумя -разделяющими прослоями слабопроницаемых пород, а именно:

— первый слой — водоносный комплекс в мезо-кайнозойских породах с пресными подземными водами;

— второй слой — водоносный комплекс в породах верхне- среднекаменноугольного возраста с подземными водами;

— третий слой —водоносный комплекс в породах средне- каменноугольного возраста с минерализованными (1—3 г/л) водами.

Первым разделяющим прослоем являются глины юрского возраста, перекрывающие породы водоносного комплекса палеозоя. Между вторым и третьим водоносными комплексами в разрезе и по простиранию нет четкого разделяющего слоя, вьідержанного в региональном плане. В южной и западной частях района разделяющими являются верейские глины, на остальной территории — ростиславские глины между мячковским и каширским стратиграфическими горизонтами.

Для моделирования приняты следующие условия:

а) площадь модели охватывает примерно 20 тыс. км2 распространения всех водоносных комплексов;

б) водопроводимость пород мезо-кайнозойского водоносного комплекса была принята равной (по данным опытных откачек) 50—150 м2/сут.

Водоотдача водовмещающих песков принята равной 0,1. Исходные величины гидравлического сопротивления между мезо-кайнозойским водоносным комплексом и реками приняты равными А0—Ю сут, сопротивление келловей-киме- ридж-оксфордской толщи у4о=Ю6 сут, сопротивление байосских глин А0 = Ю5 сут;

в) водопроводимость пород второго водоносного комплекса колеблется по площади в пределах 300—4000 м2/сут (рис. 59); коэффициент пьезопроводности 106 м2/сут;

г) для третьего водоносного комплекса, содержащего минерализованные воды, величина водопроводимости была принята равной 50 м2/сут (по данным опытных откачек);

д) по границам модели были заданы граничные условия II рода: Q = 0.

Как отмечалось выше, при моделировании первого этапа вначале решались обратные задачи, направленные на уточнение параметров водоносных комплексов, условий взаимодействия водоносных горизонтов и значений проницаемости разделяющих пород. Для этого на модели были воссозданы история и опыт работы действующих водозаборов города и железнодорожной станции и водозабора на первом разведочном участке (рис.60).

Первый вариант обратной задачи решали при исходных расчетных параметрах. При этом выявили, что в продуктивном водоносном комплексе понижение уровня подземных вод на модели получается меньше, чем фактическое. Аналогичные условия были выявлены и в мезо-кайнозойском водоносном комплексе, за исключением района города, где понижения уровня на модели оказались больше фактических.

Во втором варианте моделирования были уточнены величина питания подземных вод, емкость пород мезо-кайнозойского водоносного комплекса и скорректированы значения сопротивлений между водоносными комплексами пресных и солоноватых вод, после чего было достигнуто удовлетворительное соответствие понижений уровня подземных вод на модели и в природных натурных условиях.

Решение обратных задач (моделирование опыта эксплуатации) показало следующее:

а) величины водопроводимости пород для всех водоносных горизонтов по площади практически не изменились по сравнению с исходными данными, полученными при детальной разведке месторождения;

б) водоотдача пород водоносных комплексов составляет: для мезо-кайнозойского 7,3-Ю-3, для вер- хне - среднекаменноуголь- ного водоносного комплекса, содержащего пресные подземные воды, 2,1 • 10~4, для среднекаменноугольного ВОДОНОСНОГО комплекса с солоноватыми водами — 1,24- 10"4;

в) скорректированные значения гидравлического сопротивления подрусловых отложений мелких рек оцениваются для большей части рек величиной Л0= 420 сут, по долинам рек Восточная, Северная и Западная Л0= 10 сут.

Такие же задачи были решены и для участков, где породы мезо-кайнозой- ского и продуктивного водоносных комплексов залегают вблизи долин современных рек.

Результаты моделирования первого этапа позволили также произвести расчеты структуры и баланса эксплуатационных запасов подземных вод. Было установлено, что на период эксплуатации (1976 г.) из 189 тыс. м3/сут воды, отбираемой действующими водозаборами, формируется за счет:

— перетока подземных вод из мезо-кайнозойского водоносного горизонта—176,9 тыс. м3/сут (из них 41,7 тыс. м3/сут за счет осушения комплекса и 135,2 тыс. м3/сут за счет притока из рек);

— береговой и донной инфильтрации рек местной гидрографической сети 11,5 тыс. м3/сут;

— сработки упругих запасов подземных вод продуктивного водоносного комплекса 1—2 тыс. м3/сут."

Таким образом, упругие запасы подземных вод каменноугольных отложений составляют менее 1 % от общего водоотбора, емкостные (естественные) запасы мезо-кайнозойского водоносного комплекса около 22 % и инфильтрация поверхностных вод (питание из рек) —около 77 %.

На втором этапе решалась основная задача по прогнозной оценке эксплуатационных запасов и их рациональных условий отбора. Были приняты следующие условия отбора.

1. Срок эксплуатации принят равным 30 годам (с 1980 по 2010 г.). Весь период эксплуатации (с 1983 по 2010 г.) моделируется как единый непрерывный процесс с последовательным включением отдельных водозаборов.

2. Допустимое понижение уровня подземных вод принималось равным величине напора, а также с учетом интервала осушения продуктивного пласта (15—20 м).

3. Возможное изменение водопроводимости пород при частичном осушении пород водоносных комплексов не учитывалось.

4. По границам модели принималось условие II рода: Q — 0.

5. Речная сеть местной сети на модели располагалась преимущественно на породах мезо-кайнозойского водоносного комплекса и в меньшей степени на породах верхне-среднекаменно- угольного водоносного комплекса (на участке размыва мезо- кайнозойских отложений). .Речная сеть района моделировалась как граничные условия III (Q = f(S, t, Л0) и II рода (Q = const). Критериями перевода рек с условий III рода на условия II рода являлись понижения уровней под рекой в пределах напорной фильтрации (для рек Восточная, Западная и Северная— 10 м, для остальных — 5 м) и расход рек.

6. Прогноз возможного изменения минерализации пресных подземных вод при эксплуатации выполнялся по фрагменту карты масштаба 1 :50 000 для территории 36 X 40 км2. Западная граница врезки взята по контуру минерализации С = 0,5 г/л, восточная — по контуру минерализации С — 1 г/л. Северная и южная — по фактической минерализации на основе Карт.гидрохимического состава. Расчеты выполнялись для постоянных значений минерализации на контурах фрагмента.

Расчет изменения минерализации воды в каждой узловой точке модели был выполнен по принципу балансового смещения по следующей зависимости:

CcpQx = C"Q" + C2Q2j + E CL2Q3-2, ' (20.6)

Ј = 1

где Сcp и Ст — средняя минерализация и расход в узловой точке; CmQM — минерализация воды и приток из мезо-кайно- зойского водоносного комплекса и водоносного комплексу среднего карбона; Сз_2, Q3-2—минерализация воды и приток из соседних ячеек эксплуатируемого водоносного комплекса верхне- и среднекамеяноугольного водоносного комплекса.

Для расчетов принималось, что минерализация воды в мезо- кайнозойском водоносном комплексе равна 0,5 г/л, в нижнем комплексе среднекамеяноугольного возраста приняты два значения — 3 и 6 г/л.

Расстояние миграции частицы воды за 104 сут определялось по приближенной формуле

l= — t, (20.7)

где k — коэффициент фильтрации, равный в среднем 8,3 м/сут;

—водоотдача (эффективная пористость), 2-Ю""2; I — уклон потока; t — время эксплуатации, t — 104 сут.

Всего на модели были решены три варианта прогнозных задач в следующей постановке.

Первый вариант. На городском водозаборе и водозаборе железнодорожной станции задан существующий водоотбор, по остальным участкам величина водоотбора в соответствии с утвержденными запасами по Сумме категорий А + В + Сі. Дополнительно подключался водозабор поселка с заявленной потребностью 50 тыс. м3/сут. Общий суммарный водоотбор на модели составляет 324,5 м2/сут.

Решение задачи по этому варианту на модели показало, что понижения уровня подземных вод на водозаборах на конец расчетного периода эксплуатации будут находиться в пределах величин пьезометрических напоров, за исключением водозабора железнодорожной станции и водозабора на втором участке, где расчетные понижения уровня соответственно на 25 и 15 м превысят величины пьезометрических напоров продуктивного горизонта, однако при этом общая величина понижений уровня останется в пределах допустимых значений.

Балансовые расчеты по этому варианту дали величину возможного притока минерализованных вод снизу к водозаборам с востока примерно в количестве 10—15 тыс. м3/сут.

В районе действующих водозаборов из нижнего водоносного горизонта в эксплуатируемые скважины (по вертикали) может проникать до 12,8 тыс. м3/сут минерализованных вод. Однако при этом на окружающей территории будет происходить переток пресных вод в зону минерализованных вод в количестве до 10 тыс. м3/сут. При этих условиях минерализация воды на городском водозаборе может возрасти до 1,25—1,5 г/л, на водозаборе железнодорожной станции до 2,3 г/л, на участке I — до 1,1 г/л. По остальным участкам минерализация воды не превысит допустимых пределов по ГОСТу (табл. 25).

Второй вариант от первого отличается уменьшением нагрузки на действующие водозаборы до значений эксплуатационных запасов, утвержденных в ГКЗ СССР (с 98 до 42 и с 17,5 до 8 тыс. м3/сут). Результаты моделирования по этому варианту показали, что сокращение водоотбора на указанных водозаборных участках не даст существенного улучшения качества отбираемой пресной воды из продуктивного горизонта (см. табл. 29).

Третий вариант. Отличался от первого варианта вводом в эксплуатацию дополнительных водозаборов на перспективных участках в долине р. Северная: на участке VI — 150 тыс. м3/сут; на участке VII — до 60 тыс, м3/сут. Моделированием по этому варианту было установлено, что понижение уровней подземных вод по всем водозаборам останутся в пределах допустимых значений. Общий расход водозаборов с пресной водой для промышленного района в целом составит 274 тыс м3/сут. При этом использование подземных вод, отбираемых на городском, железнодорожном водозаборах и на водозаборе I участка для хозяйственно-питьевых нужд, будет возможно лишь при смешении их с пресной водой, так как будет происходить миграция соленых вод снизу со стороны водоносного комплекса нижнего карбона.

Как видно из данных табл. 25, в результате моделирования были выполнены весьма сложные условия миграции снизу в продуктивный горизонт подземных вод повышенной минерализации на ряде водозаборных участков. К сожалению, оказалось, что в процессе проведения гидрогеологических исследований в стадию эксплуатационной разведки месторождения в недостаточном объеме была получена исходная информация для однозначного решения задач по выбору и обоснованию рациональной схемы отбора пресных подземных вод системой взаимодействующих групповых водозаборов с сохранением их качества в длительный период эксплуатации. Именно поэтому приведенные выше решения задач по оценке оптимального режима эксплуатации пресных подземных-вод следует рассматривать как предварительные, требующие в дальнейшем более достоверной оценки.

В связи с этим было принято решение продолжить детальные гидрогеологические исследования на месторождении в стадию эксплуатации в следующих основных направлениях:

а) продолжить комплексное изучение режима эксплуатации по всем групповым водозаборным сооружениям;

б) осуществить строительство дополнительной наблюдательной сети для более достоверного изучения пород между зонами пресных и солоноватых вод в разрезе и по площади, в том числе по профилю к востоку от города (в сторону флексуроподобного поднятия палеозойских пород);

в) в связи с этим необходимо выполнить дополнительный объем бурения гидрогеологических скважин.

Дополнительная гидрогеологическая, информация позволит в дальнейшем провести вновь переоценку эксплуатационных запасов пресных подземных вод и обосновать наиболее рациональный отбор их по групповым водозаборным сооружениям.