Оценка эксплуатационных запасов подземных вод при наличии привлекаемых естественных ресурсов

где µ- водоотдача водоносного горизонта; Дh - наблюдаемое повышение уровня подземных вод после инфильтрации за время Дф (после снеготаяния, выпадения обильных дождей и т.п.), м; Дz - величина, на которую уровень подземных вод снижается за такое же точно время Дф за счет оттока по водоносному горизонту в случае отсутствия осадков.

Величины, приведенные в данном уравнении, находятся, в основном, по результатам достаточно длительных (не менее 1 года) режимных наблюдений по створу скважин (минимум трех), расположенному по направлению движения подземных (как правило, грунтовых) вод. При этом более удовлетворительные данные получают при соблюдении следующих условий:

¦ режимные наблюдения проводятся на участках, где поверхность грунтовых вод близка к горизонтальной, т. е. вдали от рек;

¦ глубина залегания уровня водоносного горизонта должна быть близка к 2-4 м.

Глава IV. Использование ЭВМ при оценке запасов подземных вод

4.1 Программное обеспечение

Оценка эксплуатационных запасов подземных вод, как следует из предыдущего рассмотрения, всегда производится применительно к конкретной схеме водозабора, определяющей размещение, конструкцию и водоприемную способность входящих в его состав водозаборных сооружений. Последние должны максимально учитывать реально существующее геолого-гидрогеологическое строение объекта исследований, изученное в зависимости от стадии исследований и сложности природных условий с различной полнотой и достоверностью.

Обоснование оптимальной в технико-экономическом отношении схемы водозабора требует в этой связи проведения многовариантных расчетов, что в случае наиболее часто используемых гидродинамического и гидравлического методов сопряжено со значительной трудоемкостью, а в ряде ситуаций и сложностями чисто вычислительного характера. Относительная трудоемкость вычислений характерна, кроме того, и для обработки результатов опытно-фильтрационных работ с целью определения фильтрационно-емкостных свойств (ФЕС) горных пород, предшествующей оценке запасов. Особый класс гидрогеологических задач, сопутствующих оценке ресурсов и запасов подземных вод, в принципе не решаемых "вручную", ввиду нереальности требуемого для этого времени, представляет собой моделирование геофильтрации и геомиграции.

Эти обстоятельства обусловили интенсивную разработку и все более широкое внедрение в практику поисково-разведочных работ на подземные воды методов автоматизации геофильтрационных расчетов и численного моделирования гидродинамических и гидрогеохимических процессов, реализованных в виде специализированного программного обеспечения для персональных электронно-вычислительных машин (ПЭВМ).

Использующиеся при оценке запасов программы могут быть условно подразделены на три группы, на практике часто объединяемые в единые программные комплексы:

1) вспомогательные, предназначенные для оценки ФЕС пород и др.,

2) прямого расчета и оптимизации водозаборов на базе описанных выше аналитических методов,

3) имитационного численного гидродинамического и гидрогеохимического моделирования водозаборов на сеточных моделях.

Среди отечественных гидродинамических пакетов программ наиболее известны программы русско-австрийского СП ГеоЛинк, ВСЕГИНГЕО,

МГУ (г. Москва) и С-ПбГИ(У) - ВИМС (г. Санкт-Петербург). Основным продуктом СП ГеоЛинк является "Автоматизированное рабочее место гидрогеолога" (АРМ ГЕО; руководители проекта А.А. Рошаль, Л.В. Боревский), объединяющее серию самостоятельных или относительно самостоятельных программ-модулей, предназначенных для решения производственных и научных задач в области гидрогеологии.

АРМ ГЕО представляет собой диалоговую систему, обеспечивающую доступ к имеющимся в ней программным средствам и геологической информации, содержащейся во "встроенных" специализированных БД.

Во ВСЕГИНГЕО развиваются 2 системы сеточного моделирования задач геофильтрации и массопереноса (без учета взаимодействий в системе вода-порода) в среде подземных вод, близкие по назначению и своим возможностям: TOPAS А.Плетнёва и "Система специального программного обеспечения автоматизированных сеточных моделей гидрогеологических объектов" ССПО Модель Е.А. Полшкова.

К этому же типу программного обеспечения (ПО) относится система Stimul-2 Е.А. Ломакина и др., разрабатывавшаяся в Санкт-Петербурге, сначала в ВИМС - С-ПбГИ, а затем в фирме "Водные ресурсы", и система моделирования геофильтрации и массо- и теплопереноса В.И. Гунина и А.М. Плюснина (ЧИПР).

Особый вид гидродинамического ПО представляют программные разработки А.В. Кирюхина (С-ПбГИ - ДВО СО РАН), предназначенные для моделирования тепло- и паропереноса в пределах гидротермальных систем.

Наиболее известными зарубежными аналогами данных продуктов является моделирующая система GMS (Groundwater Modeling System) лаборатории Brigham Young University США, распространяемая Environmental

Modeling Systems Incorporated, и Visual Modflow геологической службы США (USGS) и фирмы TecSoft. Для последней дополнительно поставляется мощная система визуализации результатов моделирования Visual Groundwater. В целом, можно говорить об их большей сервисности по сравнению с отечественными программами, хотя с содержательной точки зрения российские продукты, как правило, обладают более широкими наборами методов решения и, соответственно, большими возможностями корректного решения широкого круга гидродинамических задач.

Подобная ситуация наблюдается и по гидрогеохимическому ПО (23). Практически не имеют близких по возможностям зарубежных аналогов геохимические моделирующие системы, основанные на методе минимизации свободных энергий Гиббса, GIBBS Ю.В. Шварова (МГУ) и Селектор-С И.К. Карпова, К.В. Чудненко и др. (Институт геохимии СО РАН, г. Иркутск), а также аналогичная, судя по публикациям, разработка Н.Н. Акинфиева.

Не уступают лучшим зарубежным системам, а во многих случаях и превосходят их, и программные разработки, базирующиеся на методе "констант равновесия". Наиболее интересны среди них генератор гидрогеохимических моделей В12 и полученная с его помощью серия узкоприкладных программ-имитаторов SOXXXX фирмы СофДек В.Н. и С.В. Озябкиных (г. Санкт-Петербург), в т.ч. учитывающих геомиграцию, и программная система MIF Г.А. Соломина (ВСЕГИНГЕО, г. Москва).

К этому ряду примыкает и разработанный в ТПУ программный комплекс HydroGeo (HG32 для Windows), объединяющий одновременно гидродинамические и гидрогеохимические модули, что позволяет отнести его к одной из версий АРМ-гидрогеолога. В отличие от других, данный ПК ориентируется как на традиционные гидрогеологические задачи, так и на специфику глубокозалегающих подземных вод и методов нефтегазовой гидрогеологии, и может широко использоваться в этой области.

Среди зарубежных программ в данном направлении наиболее интересны HYDROGEOCHEM 1 и 2, PHREEQE и PHRQPITZ. Ряд интересных относительно узкофункциональных программных продуктов разработан в МГУ: TEIS и REGIM (обработка данных откачек и режимных наблюдений; Р.С. Штенгелов, М.И. Казаков), MCG (сеточная модель геофильтрации; С.О. Гриневский), TRANSFER (сеточная геофильтрация и геомиграция; А.В. Лехов и др.).

Самостоятельная область использования ПЭВМ при оценке запасов подземных вод и других гидрогеологических исследованиях связана с применением многочисленных в настоящее время программных средств общего назначения, предназначенных для автоматизированного хранения, первичной оперативной обработки и визуализации (в т.ч. картографической) информации или как это называют в последнее время - для создания фактографических моделей гидрогеологических объектов. Прежде всего, это различные, так называемые, СУБД (средства управления базами данных) и ГИС (географические информационные системы), а также табличные процессоры, графические пакеты и др., носящие вспомогательный характер. Не останавливаясь на этом специально, отметим среди них в качестве примера такие широко известные серии пакетов программ как Paradox- QuattroPro, FoxPro/Access/MDE - Excel, Grapher - Surfer - MapViewer, GeoGraph - GeoDraw, ArcView - ArcInfo, MapInfo и т.п.

Специализированное ПО, которое может быть применено для изучения месторождений подземных вод, использует в принципе близкие методы обработки информации, поэтому ниже более подробно рассматриваются методы, реализованные в программном комплексе HydrоGeo (ПК HG32), разработанном и применяемом в учебной и научной работе кафедры гидрогеологии и инженерной геологии ТПУ.

4.2 Определение фильтрационно-емкостных свойств водоносных горизонтов

В качестве основных расчетных зависимостей для определения ФЕС по результатам гидрогеологических откачек и испытания скважин в программе SP, входящей в состав ПК HG32, используются широко известные формулы геогидродинамики, записанные применительно к системе СИ и специфике вод глубоких горизонтов (с учетом их плотности и вязкости):

1) логарифмического приближения уравнения Тейса, описывающего плоско-радиальную фильтрацию флюида к скважине:

где Р0 - пластовое давление (Па), Р3 - текущее забойное давление (Па), Q -текущий дебит (м3/с), µ - вязкость флюида (Па-с), m - эффектная мощность пласта (м), Кп - коэффициент проницаемости (м2), a - коэффициент пьезопроводности (м2/с), ф - время замера Р3 (с), г - расстояние от оси скважины до внутренней границы изучаемой зоны дренирования: в случае одиночной скважины - ее радиус в зоне залегания пласта, а для наблюдательной - расстояние до нее (м), c=2.24584 - константа, вычисленная как 4/ev (v - постоянная Эйлера);

2) обработки кривых восстановления давления по методу Хорнера:

где Qср - средний дебит за время притока (м3/с), Т - продолжительность притока, ф - текущее время КВД (с).

При этом давление и напор (в метрах) связаны соотношением P = gсH , а коэффициенты фильтрации (в м/с) и проницаемости зависимостью

,

где g - ускорение свободного падения (g=9.807 м/с2) и с - плотность воды (кг/м3).

Алгоритм определения фильтрационно-емкостных параметров использует стандартные графоаналитические методы обработки полученных при откачках кривых понижения и восстановления уровня Тейса-Джейкоба и Хорнера-Сейза. Последний применяется также и для расчета параметров по кривым восстановления давления (КВД) в глубоких скважинах, опробованных при помощи испытателя пласта (ИП).

При использовании этого алгоритма в процессе визуализации графиков, для более корректной их интерпретации, выполняются проверки времени наступления квазистационарного режима фк ? 2.5r2/а и времени фе?20Чрr2S/Q, начиная с которого погрешность расчетов за счет влияния ёмкости ствола скважины не превышает 5%.

Ввиду необходимости учета одновременного изменения дебита и забойного давления в ходе опробования глубоких скважин с помощью ИП или испытания в колонне, данные по получаемым при этом кривым притока (КП) обрабатываются аналитическим методом, базирующимся на численном интегрировании КП и КВД на основе принципа суперпозиций (наложения течений), частные варианты которого изложены применительно к исследованию глубоких скважин в работах (25,26).

Используемые при этом расчетные зависимости вытекают из уравнения, в соответствии с которым разность пластового и текущего забойного давления для каждой точки N кривой притока, начиная с 3-й, составляет

где

В случае, когда Р0 требует расчета, используются последовательные разности выражений, записанных в соответствии с уравнением для каждой пары расчетных точек:

Коэффициент пьезопроводности во всех случаях, кроме кустовых откачек (или гидропрослушивания), лучше рассчитывать методом последовательных приближений, используя равенство, примененное при программной реализации метода суперпозиций:

где n0 - открытая пористость коллектора в д.е., вф - коэффициент сжимаемости флюида (при отсутствии лабораторных определений для воды может быть задан равным 3?10-10 Па-1), в - коэффициент сжимаемости пористой среды (породы), определяемый для гранулярных коллекторов по уравнению регрессии, описывающему график Холла (точность ±6%; Па-1):

В первом приближении обычно задается a=10 м2/сут и по уравнениям или рассчитывается значение Кп в расчетных точках, затем они подставляются в уравнение, по которому определяются уточненные значения a, используя которые уточняются величины Кп и т.д., пока a и Кп в ходе итераций не перестанут изменяться в пределах заданной точности их оценки. Возможные вариации действительных значений n0, вф и в по сравнению с принятыми в расчете практически не влияют на достоверность оценки Кп, но могут изменить величину а в пределах одного-двух порядков, что вполне допустимо для опытов в одиночных скважинах.

Ориентировочная величина скин-эффекта s, суммарно характеризующего несовершенство скважины по характеру и степени вскрытия пласта, для одиночной скважины вычисляется по зависимости (26):

где Кп,i и Кп,0 - проницаемости в удаленной зоне пласта и призабойной зоне (например, полученные по последним и первой сериям расчетных точек), rз - радиус зоны призабойного изменения фильтрационных свойств пласта при проходке скважины (обычно около 5 см).

В случае если давление насыщения пластовой воды газом (Рг) попадает в интервал между начальным и конечным давлениями КП, то во время притока происходит скачкообразное увеличение коэффициента продуктивности (q) при смене двухфазной фильтрации на однофазную, когда Р3=Рг. В отсутствие выраженного эффекта смыкания трещин это может позволить оценить Рг по характеру зависимости q = f(Р3).

Приведенные выше формулы записаны для условий напорного режима фильтрации. Для безнапорных водоносных горизонтов в них производится переход от давлений к напорам и понижениям уровня и замена 2Sm на S(2H-S), где H - мощность безнапорного горизонта. Соответственно, a в этом случае заменяется на aу - коэффициент уровнепроводности.

4.3 Численное моделирование гидродинамических и гидрогеохимических процессов

Развитие в последние десятилетия методов численного моделирования геофильтрации и геомиграции (27-30) привело к появлению целого ряда программных средств, существенно повышающих геологическую эффективность моделирования процессов эксплуатации подземных водозаборов и оценки на этой основе эксплуатационных запасов подземных вод.

Основой численного моделирования является разбиение области фильтрации на относительно однородные блоки, образующие пространственную сетку, между ячейками которой с использованием методов конечных разностей, конечных элементов или граничных интегральных уравнений и моделируются фильтрационные процессы.

По сравнению с традиционно применяемыми методами, практически всегда требующими более или менее значительной схематизации природных условий, такой подход в большинстве случаев позволяет лучше учесть пространственную неоднородность ФЕС пород, сложный характер и разнообразие граничных условий, инфильтрацию, перетекание и другие факторы, реально присущие таким сложным геологическим объектам как месторождения подземных вод. Все это обусловливает возможность получения с их помощью более точных и достоверных оценок эксплуатационных запасов подземных вод и оптимизации водозаборов, хотя, в то же время, современный уровень как теоретического, так и практического развития методов и программ численного моделирования геофильтрации пока еще недостаточен для их применения в весьма сложных гидрогеологических условиях.

Значительный интерес представляет также использование моделирующих программных комплексов для создания и эксплуатации постоянно действующих моделей месторождений подземных вод, постепенно уточняющихся по мере накопления гидрогеологической информации.

За редкими исключениями, такие программные средства в настоящее время весьма дороги, довольно сложны в использовании, часто громоздки и недостаточно сервисны, что сдерживает их широкое внедрение в практику гидрогеологических исследований. Тем не менее, активно продолжающаяся доработка и совершенствование существующих программных продуктов позволяют надеяться на успешное преодоление большинства отмеченных недостатков уже в ближайшие годы. Поэтому можно утверждать, что численному моделированию принадлежит будущее в реализации наиболее масштабных, сложных и дорогостоящих проектов, тогда как в решении сравнительно небольших и относительно простых гидрогеодинамических задач, а также при очень сложных гидрогеологических условиях (месторождения подземных вод III-й группы сложности), более целесообразным пока останется использование охарактеризованных в предыдущих разделах традиционных методов.

В качестве примера алгоритмов, реализующих численное моделирование одновременно как гидродинамических, так и гидрогеохимических процессов, кратко рассмотрим положения, лежащие в основе моделирующих модулей ПК HG32.

Математическое описание процессов, протекающих в фильтрационном потоке подземных вод, складывается из совместного решения задач геофильтрации, массопереноса и взаимодействия раствора с вмещающей твердой фазой пород.

Заключение

Освещая проблему изучения запасов и ресурсов подземных вод, необходимо подчеркнуть, что в основе всех выполняемых на практике построений и расчетов лежит детальность, полнота и качество геолого-гидрогеологических данных, полученных в процессе проведенных исследований. Поэтому основные усилия при выявлении и оценке запасов и ресурсов следует сосредоточить, в первую очередь, на возможном улучшении исходной гидрогеологической информации - на полевых геологических и гидрогеологических изысканиях и наблюдениях. Существует и обратная связь, поскольку все такие исследования должны быть подчинены конечной цели, которая не может быть достигнута без полноценного представления о теоретических и методических основах гидродинамических расчетов и моделирования, выполняемых на завершающих стадиях поисково-разведочных работ на подземные воды.

К настоящему времени накоплен значительный опыт изучения запасов и ресурсов подземных вод, нашедший свое отражение в многочисленной нормативной литературе и действующих инструкциях, регламентирующих основные аспекты гидрогеологических исследований и требования к их составу, объемам и качеству. Но следует помнить, что природа гораздо многообразнее существующего опыта и ее нельзя подчинить даже самым лучшим инструкциям и методическим указаниям. Последние в этой связи могут нести лишь рекомендательный характер. Следовательно, важнейшим условием эффективности геологоразведочного процесса всегда останется творческий, исследовательский подход к каждому конкретному региону и месторождению подземных вод.

Нельзя также не упомянуть о важнейшем значении интенсивно сейчас развивающихся геоэкологических и гидрогеохимических аспектов изучения запасов и ресурсов подземных вод, не рассматривавшихся в настоящей работе ввиду ее ограниченного объема.

Список используемой литературы

1. Биндеман Н.Н., Язвин Л.С. Оценка эксплуатационных запасов подземных вод. - М.: Недра, 1970. - 215 с.

2. Боревский Б.В., Дробноход Н.И., Язвин Л.С. Оценка запасов подземных вод. - Киев, 1989. - 407 с.

3. Инструкция о содержании, оформлении и порядке представления в ГКЗ СССР технико-экономических обоснований кондиций на минеральное сырье. - М.: ГКЗ СССР, 1984. - 24 с.

4. Инструкция по применению классификации эксплуатационных запасов и прогнозных ресурсов подземных вод к месторождениям промышленных вод. - М.: ГКЗ СССР, 1985. - 15 с.

5. Инструкция по применению классификации эксплуатационных запасов и прогнозных ресурсов подземных вод к месторождениям минеральных вод. - М.: ГКЗ СССР, 1985. - 17 с.

6. Инструкция по применению классификации эксплуатационных запасов и прогнозных ресурсов подземных вод к месторождениям теплоэнергетических вод. - М.: ГКЗ СССР, 1985. - 18 с.

7. Классификация эксплуатационных запасов и прогнозных ресурсов подземных вод. - М.: ГКЗ, 1997. - 16 с.

8. Временное положение о порядке проведения геологоразведочных работ по этапам и стадиям (подземные воды). - М.: МПР РФ, 1998. - 30 с.

9. Мониторинг месторождений и участков водозаборов питьевых подземных вод. - М.: МПР РФ, 1998. - 80 с.

10. Методические рекомендации по оценке подземного притока в реки. -Л.: Гидрометеоиздат, 1991. - 96 с.

11. Кононов В.М., Климентов П.П. Методика гидрогеологических исследований. - М.: Высш. шк., 1989. - 395 с.

12. Куделин Б.И. и др. Естественные ресурсы подземных вод Центрально-Черноземного района и методика их картирования. - М.: Изд. МГУ, 1963. - 147 с.

13. Рассказов Н.М., Кусковский В.С., Булатов А.А. и др. Ресурсы пресных подземных вод степных районов Республики Хакасия. - Водные ресурсы. - 1999. - №2. - с. 143-148.

14. Мироненко В.А. Динамика подземных вод. - М.: Недра, 1988. - 357с.

15. Ресурсы пресных и маломинерализованных подземных вод южной части Западно-Сибирского артезианского бассейна. - М.: Недра, 1991. - 260с.

16. Плотников Н.И. Поиски и разведка пресных подземных вод для целей крупного водоснабжения. - М.: Изд. МГУ, 1968. - 470 с.

17. Плотников Н.И. Поиски и разведка пресных подземных вод. - М.: Недра, 1985. -370 с.

18. Поиски и разведка подземных вод для крупного водоснабжения. / Под ред. Н.Н. Биндемана и др. - М.: Недра, 1969. - 328 с.

19. Методы изучения и оценка ресурсов глубоких подземных вод. / Под ред. С.С. Бодаренко, Г.С. Вартаняна - М.: Недра, 1986. - 479 с.

20. Основы гидрогеологии. Гидрогеодинамика. / Дзюба А.А., Зекцер И.С., Караванов К.П. и др. - Новосибирск: Наука, 1983. - 283 с.

21. Альбом нефтяного оборудования, средств автоматизации и приборов. / Под ред. Ю.В. Вадецкого, А.А. Джавадяна. - М.: ВНИИОЭНГ, 1988. - 454 с.

22. Василевский В.Н., Петров А.И. Оператор по исследованию скважин. - М.: Недра, 1983. - 309 с.

23. Методы геохимического моделирования и прогнозирования в гидрогеологии. / Под ред. С.Р. Крайнова. - М.: Недра, 1988. - 254 с.

24. Букаты М.Б. Разработка программного обеспечения в области нефтегазовой гидрогеологии. //Разведка и охрана недр. - 1997. - № 2. - с. 37-39.

25. Бузинов С.Н., Умрихин И.Д. Исследование нефтяных и газовых скважин и пластов. - М.: Недра, 1984. - 269 с.

26. Карнаухов М.Л., Рязанцев Н.Ф. Справочник по испытанию скважин. - М.: Недра, 1984. - 268 с.

27. Ломакин Е.А., Мироненко В.А., Шестаков В.М. Численное моделирование геофильтрации. - М.: Недра, 1988. - 229 с.

28. Мироненко В.А., Шестаков В.М. Теория и методы интерпретации опытно-фильтрационных работ. - М.: Недра, 1978. - 325 с.

29. Гидрогеодинамические расчеты на ЭВМ / Под ред. Р.С. Штенгелова. - М.: Изд-во МГУ, 1994 - 335 с.

30. Мироненко В.А., Румынин В.Г. Проблемы гидрогеоэкологии. Т. 1. Теоретическое изучение и моделирование геомиграционных процессов. - М.: Изд-во МГУ, 1998. - 611 с.

Размещено на Allbest.ru