Содержание к диссертации
Введение
РАЗДЕЛ 1. Анализ сведений о реакции геофлюидных систем на сейсмическое воздействие 10
1.1 Реакция геофлюидных систем на сейсмотектонические деформации 10
1.1.1 Ближняя зона землетрясений 15
1.1.2 Дальняя зона землетрясений 21
1.2 Реакция геофлюидных систем на динамические воздействия техногенного происхождения 25
1.3 Особенности колебательного движения жидкости в геофлюидных системах 37
РАЗДЕЛ 2. Методика проведения экспериментальных работ 54
2.1 Методика периодического возбуждения сейсмических колебаний в массиве горных пород и волн давления в трещинах, заполненных жидкостью. 54
2.2 Методика проведения лабораторных опытов. 65
2.2.1 Установка для исследования интерфейсных волн в трещине 65
2.2.2 Установка для исследования закономерностей распространения колебаний в узких трещинах 77
2.2.3 Установка для исследования эффектов декольматации 79
2.3. Методика проведения прецизионных гидрогеологических наблюдений. 83
2.3.1 Гидрогеологические условия территории расположения ГФО «Михнево» 83
2.3.2 Методика проведения экспериментов с динамическим воздействием на пласт 87
2.3.3 Методика режимных наблюдений за уровнем 90
2.3.4 Определение проницаемости коллектора при помощи анализа приливной составляющей колебаний уровня воды 96
2.3.5 Определение отклика пласта на слабые сейсмические колебания 98
РАЗДЕЛ 3. Лабораторные эксперименты 101
3.1 Исследование основных закономерностей возбуждения и распространения интерфейсных волн в трещине 101
3.2 Излучение сейсмических волн при распространении импульса давления в трещине 118
3.3 Исследование процессов декольматации в трещине в результате вибровоздействия 122
РАЗДЕЛ 4. Полевые эксперименты 131
4.1 Исследование процесса изменения гидравлической связи пласт-скважина вследствие низкоамплитудных динамических воздействий 131
4.2 Результаты прецизионного мониторинга уровня воды в скважине на территории ГФО «Михнево» 137
4.3 Отклик уровня воды в скважине на прохождение сейсмических волн крупных землетрясений 144
РАЗДЕЛ 5 Модель реакции геофлюидных систем на сейсмическое воздействие 152
Заключение 166
Список литературы 168
- Реакция геофлюидных систем на динамические воздействия техногенного происхождения
- Гидрогеологические условия территории расположения ГФО «Михнево»
- Излучение сейсмических волн при распространении импульса давления в трещине
- Результаты прецизионного мониторинга уровня воды в скважине на территории ГФО «Михнево»
Введение к работе
Повышение плотности сетей гидрогеологических и сейсмических наблюдений, внедрение в практику цифровых датчиков и регистрирующей аппаратуры позволили в последние два десятилетия достоверно установить множество фактов вариаций уровня воды, изменения водопритоков, увеличения дебитов нефтедобывающих скважин и другие формы реакции горного массива на столь слабые динамические воздействия, которые заведомо не должны были бы приводить к необратимым последствиям.
Эти эффекты затрагивают объекты различных типов - природные коллекторы подземных вод и углеводородов, техногенные образования -скважины, трещины гидроразрыва, участки земной коры с повышенной пористостью и проницаемостью, приуроченные в ряде случаев к литолого-стратиграфическим контактам, зонам влияния разломов и др. Все эти объекты объединены в работе под названием «геофлюидные системы».
Некоторые типы влияния сейсмических колебаний на геофлюидные системы хорошо известны, описаны теоретически и исследованы экспериментально. К таковым можно отнести, например, колебательные движения в системе пласт - скважина, возникающие при воздействии сейсмических волн.
Существование других типов движения вытекает из теоретических соотношений, однако слабо исследовано экспериментально. Так закономерности распространения внутри трещин низкочастотных колебаний флюида, так называемых интерфейсных волн, возникающих на границе жидкость - твердое тело, практически не изучены. При этом экспериментальное подтверждение дисперсии низкочастотных колебаний, полученное пока только теоретически, может иметь важное практическое значение для развития новых методов диагностики трещин гидроразрыва.
Слабо исследованы медленные, по сравнению с периодом воздействующей волны, изменения характеристик геофлюидных систем. Несмотря на
5 значительное количество накопленных экспериментальных данных механика этого процесса до сих пор не ясна.
Целью настоящей работы является разработка феноменологической модели реакции геофлюидных систем на сейсмическое воздействие на основе результатов выполненных аналитических оценок, лабораторных и полевых экспериментов, прецизионного мониторинга уровня подземных вод и анализа опубликованных данных натурных измерений.
Основные задачи исследований;
Анализ имеющихся данных реакции геофлюидных систем на сейсмическое воздействие в дальней зоне землетрясений и взрывов.
Исследование в лабораторных экспериментах закономерностей инициирования и распространения интерфейсных волн в трещинах, заполненных жидкостью.
Экспериментальное исследование процесса изменения гидравлической связи между пластом и скважиной под воздействием низкоамплитудных динамических воздействий.
Разработка и отладка методики прецизионного мониторинга уровня подземных вод территории расположения геофизической обсерватории ИДГ РАН "Михнево".
Разработка феноменологической модели постсейсмического изменения гидрогеологического режима.
Достоверность полученных результатов обеспечивается значительным объемом экспериментальных данных, полученных с использованием апробированных методик измерений, регистрации и обработки рядов, тщательным анализом имеющихся опубликованных материалов, сопоставлением сформированной базы данных с существующими представлениями, результатами численных расчетов и аналитическими оценками.
Научная новизна работы состоит в следующем:
Впервые детально исследованы основные закономерности возбуждения и распространения интерфейсных волн в трещинах, а также параметры сейсмических волн, излучаемых в окружающий массив при распространении по трещине импульса давления.
Впервые в платформенных условиях проведены длительные прецизионные наблюдения за уровнем подземных вод и получены представительные ряды вариаций уровня очищенные от влияния внешних факторов.
Показано, что интенсивность постсейсмических гидрогеологических эффектов в дальней зоне землетрясений и взрывов определяется величиной максимальной массовой скорости грунта Vm и установлены соответствующие эмпирические соотношения.
Разработана феноменологическая модель реакции геофлюидных систем на сейсмическое воздействие, описывающая постсейсмические неупругие эффекты в дальней зоне землетрясений и взрывов.
Личный вклад автора;
В ходе работы автор принимал непосредственное участие в подборе, структурировании, анализе и обобщении данных, проведении лабораторных и полевых экспериментов и анализе получаемых результатов, получении и обработке результатов прецизионного мониторинга уровня воды в скважине, расположенной на территории ГФО "Михнево", проведении расчетов и аналитических оценок.
7 Практическая ценность работы:
Предложенная модель может быть использована в качестве основы для исследования различных процессов, связанных с низкоамплитудными воздействиями на флюидосодержащие области земной коры, например триггерных землетрясений, кольматации и декольматации скважин, виброобработки нефтяных и газовых залежей и т.д.
Установленные закономерности возбуждения и распространения интерфейсных волн в трещинах могут быть использованы при разработке новых методов диагностики трещин гидроразрыва, а также при решении некоторых задач вулканологии и сейсмологии.
На защиту выносятся:
Установленные эмпирические закономерности постсейсмического отклика геофлюидных систем в дальней зоне землетрясений и взрывов.
Установленные закономерности возбуждения и распространения интерфейсных волн в трещинах.
Результаты лабораторных и полевых исследований процесса изменения гидравлической связи между пластом и скважиной под воздействием низкоамплитудных динамических воздействий.
Результаты прецизионного мониторинга уровня подземных вод территории расположения геофизической обсерватории ИДГ РАН "Михнево"
Разработанная феноменологическая модель реакции геофлюидных систем на сейсмическое воздействие, описывающая постсейсмические неупругие эффекты.
8 Объем и структура работы: Диссертация состоит из введения, пяти разделов и заключения, изложенных на 182 страницах, включая 81 рисунок и список литературы из 144 наименований.
В первом разделе проведен анализ сведений о реакции геофлюидных систем на динамическое воздействие. Проведен анализ таких процессов, наблюдаемых в ближней и дальней зонах землетрясений и взрывов, а также при вибрационном воздействии. Рассмотрены особенности движения жидкости в скважинах и трещинах.
Второй раздел посвящен описанию методик проведения экспериментальных работ. Рассмотрена методика периодического возбуждения сейсмических колебаний и волн давления во флюидных системах с помощью скважинного генератора сейсмических волн, используемого автором при проведении полевых экспериментов. Описаны методики проведения лабораторных опытов и используемые при этом установки. Значительное место в работе занимает отработка и апробация методики проведения прецизионных гидрогеологических наблюдений.
Третий раздел диссертации посвящен описанию результатов лабораторных экспериментов. Приведены результаты опытов по исследованию закономерностей возбуждения и распространения интерфейсных волн в трещинах, данные исследований параметров сейсмических волн, излучаемых в окружающий массив при распространении по трещине импульса давления, результаты лабораторных исследований процесса декольматации трещины под воздействием вибраций.
В четвертом разделе приводятся результаты полевых исследований процесса изменения гидравлической связи между пластом и скважиной под воздействием низкоамплитудных динамических воздействий, а также результаты прецизионного мониторинга уровня подземных вод территории расположения геофизической обсерватории ИДГ РАН "Михнево"
9 В пятом разделе на основе данных лабораторных экспериментов и анализа опубликованных данных сформулирована модель реакции геофлюидных систем на сейсмическое воздействие, описывающая постсейсмические неупругие эффекты. Приведены оценки характерных параметров задачи и сравнение результатов оценок с данными натурных измерений.
Основные результаты диссертации приведены в заключении к работе. Апробация работы
Основные положения работы докладывались на Четвертой и Пятой Сибирских международных конференциях молодых ученых по наукам о Земле (г.Новосибирск, 2008 г. и 2010 г.), Четвертой Сахалинской молодежной научной школе «Природные катастрофы: изучение, мониторинг, прогноз» (г.Южно-Сахалинск, 2009 г.), 10-й международной междисциплинарной научной гео-конференции и выставки SGEM-2010 (г.Альбена, Болгария, 2010 г.), Всероссийской конференции с международным участием «Физика окружающей среды» (г.Томск, 2011), Всероссийской конференции с международным участием «Проблемы сейсмотектоники» (Москва, 2011г.), XLVI и XLVII конференциях МФТИ (г. Москва, 2003 г., 2004 г.), семинарах ИДГРАН.
Материалы диссертации опубликованы в 13 научных статьях.
Работы были выполнены при частичной поддержке РФФИ (гранты № 04-05-08013-офи_а, 04-05-65027-а, 06-05-79061-к, 09-05-90743-моб_ст, 10-05-01064-а, 10-05-16082-моб_з_рос, 11-05-90711-моб_ст).
Автор выражает благодарность своему научному руководителю д.ф.-м.н. проф. Г.Г. Кочаряну за неоценимую помощь и постоянное внимание к работе, к.т.н. И.С. Свинцову, к.ф.-м.н. В.К. Маркову, к.т.н. Пернику Л.М. за участие в экспериментальных работах и помощь в анализе полученных результатов, к.ф.-м.н. Э.М. Горбуновой за консультации и обсуждение результатов измерений, а также всему коллективу лаборатории «Деформационных процессов в земной коре» ИДГ РАН за содействие на всех стадиях выполнения работы.
Реакция геофлюидных систем на динамические воздействия техногенного происхождения
Проблема разработки технологий, обеспечивающих поддержание и прирост добычи нефти в сложных геопромысловых условиях, стимулирует изучение процессов динамического деформирования флюидосодержащих коллекторов и призабойных зон скважин. Проведение этих исследований позволило получить значительный объем экспериментальных данных, интерпретация которых может оказаться полезной для разработки модели реакции геофлюидных систем на сейсмическое воздействие.
Эффекты, сходные с влиянием на подземные коллекторы локальных и удаленных землетрясений, наблюдались при проведении подземных ядерных взрывов (ПЯВ). Одними из первых таких свидетельств можно считать данные по взрыву на полигоне Gasbuggy Site, расположенном на северо-западе Нью-Мексико в округе Rio Arriba [Ward et al., 1966].
Взрыв мощностью 29 кт был произведен 10-го декабря 1967 года на глубине 4240 футов (-1290 метров) от поверхности земли с целью интенсификации добычи природного газа из глубокозалегающих газосодержащих пластов с низкой проницаемостью. Это был первый эксперимент по стимуляции газодобычи в рамках программы Plowshare, направленной на развитие мирного применения ядерных взрывов.
В результате взрыва образовалась зона раздробленной породы протяженностью около 330 футов ( 100 метров) над каверной от взрыва. Общий объем раздробленных пород был оценен в 2 млн. кубических футов (около 57000 м ). Проведенные тесты показали, что требуемый эффект был достигнут - объем добычи из скважины составил 167 млн. кубических футов (около 4.76 млн. м3) газа, тогда как из скважины, отстоящей на расстояние в 400 футов (120 метров) и вскрывающей тот же газоносный горизонт удалось добыть лишь 85 млн. кубических футов (около 2.4 млн м ) газа Также в рамках программы Plowshare в мае 1973-го года США произвели одновременный взрыв трех 30-ти килотонных зарядов на глубинах 1758, 1875, и 2015 м на полигоне Rio Blanco, в штате Колорадо. Последующие испытания показали значительный прирост дебита газа, однако он оказался слишком радиоактивным и вследствие этого не пригодным для использования [Lombard; Carpenter, 1967].
Явный отклик флюидосодержащего коллектора при проведении ПЯВ наблюдался и на нефтяном месторождении «Грачевское» [Бакиров и др., 1984]. Взрыв мощностью 2.3кт был проведен на глубине 1350м. Коллектор месторождения состоял из известняка пористостью 15-20%, проницаемостью 4-7-64-10"3 мкм2. В результате воздействия на пласт имело место увеличение дебита скважин, расположенных на расстоянии 800-г1200м от взрыва, где появление новых трещин в результате дробящего действия взрыва практически исключено. Увеличение дебита составило 40-50%, в результате чего было добыто дополнительно около 80тыс. тонн нефти. Отметим, кстати, что на скважинах, расположенных в ближней зоне взрыва, не только не было отмечено увеличения дебита, но и зафиксировали уменьшение количества добываемой жидкости. Это связано, по-видимому, с уплотнением высокопористого коллектора под действием ударной волны в грунте, либо с возникновением депрессионной воронки, приводящей к интенсивному дренированию пласта.
Основные механические эффекты ПЯВ, влияющие на режим подземных вод, связаны, во-первых, с действием волны сжатия на водосодержащие коллекторы, а во-вторых, с образованием в среде новых пустот (камуфлетная полость, наведенная трещиноватость, пустотность, обусловленная разуплотнением среды) и деформацией коллекторов и массива пород в целом. Основные особенности гидродинамических процессов рассмотрены в [Адушкин, Спивак, 2007]. Вследствие взрыва, произведенного в сплошной слабопроницаемой среде, содержащей субгоризонтальный водонасыщенный пласт, возникает деформация окружающей среды, причем водный коллектор деформируется в большей степени. Динамическое сжатие коллектора приводит к повышению давления жидкости в некоторой области (образование куполообразного реального либо эффективного уровня подземных вод, формально поставленного в соответствие давлению жидкости Р с использованием приближения Дюпюи grad(P) = pg grad(h), где h -абсолютный уровень подземных вод, р — плотность жидкости). Это сопровождается инжекцией воды в поровое пространство, а также в существующие и вновь образованные трещины, а образование столба обрушения и области повышенного разуплотнения среды вследствие формирования и последующего обрушения камуфлетной области вызывает центральную депрессию в образовавшемся куполе подземных вод. Наличие купола как области повышенного давления подземных вод приводит к повышению уровня в наблюдательных скважинах (рис. 1.7).
Следующий этап движения подземных вод связан с их стоком в образовавшиеся при взрыве пустоты. Высокая проницаемость горной породы, расположенной в столбе обрушения (коэффициент проницаемости достигает 10" м ), приводит к быстрому снятию избыточного напора подземных вод, а затем - его падению существенно ниже естественного положения уровня в районе эпицентра взрыва. Последнее вызывает резкое снижение водопритока к областям, расположенным по направлению подземного потока, и одновременно - образование депрессионной воронки с максимальным снижением уровня подземных вод в эпицентральной области.
Заключительный этап - восстановление первоначального уровня подземных вод во всей области течения после заполнения образованных при взрыве пустот - может длиться десятки суток, причем время восстановления определяется начальным состоянием среды и параметрами взрыва.
Гидрогеологические условия территории расположения ГФО «Михнево»
Связь некоторых типов землетрясений, происходящих вблизи действующих вулканов, с колебаниями магматических жидкостей в подводящих каналах, усматривается и в [Горельчик, Сторчеус, 2001]. Здесь все землетрясения, связываемые с вулканом, разделяются на две большие категории по природе генерирующих источников. К первой группе относят так называемые вулкано-тектонические землетрясения, практически неотличимые от чисто тектонических событий. Они возникают в твердой среде как следствие хрупкого разрушения пород под действием сдвиговых и растягивающих напряжений, создаваемых активными магматическими процессами и распределенных в достаточно большом объеме, окружающем магматические каналы и очаги.
Вулкано-тектонические землетрясения могут наблюдаться в районах как активных, так и потухших вулканов в виде единичных событий или роев длительностью от часов и дней до недель или месяцев. Часто эти землетрясения являются первыми признаками возобновившейся вулканической активности (долгосрочные предвестники) [Токарев, 1964; Широков, 1996; Ramos et al., 1996; White, 1996]. Известно множество примеров значительного усиления этого рода сейсмичности непосредственно перед началом извержений. (краткосрочные предвестники) [Большое..., 1984; Горельчик и др., 1995; Токарев, 1964]. Вторая группа сейсмических сигналов состоит из источников, в которых активную роль в генерации сейсмических волн играют флюиды. Именно к этой группе землетрясений относятся длиннопериодные события: неглубокие ДП землетрясения, взрывные землетрясения, вулканическое дрожание, сейсмические сигналы, сопровождающие дегазационные процессы в магме, и другие эруптивные явления [Chouet, 1996]. По сравнению с вулкано-тектоническими, ДП землетрясения характеризуются более низкочастотной квазимонохроматической кодой, четко выраженной пиковой формой спектра, диапазон преобладающих частот лежит в интервале от 0,5 до 5 Гц [White, 1996].
В ряде работ, например [Ferrazzini et al., 1990], отмечается, что сходные явления наблюдаются в процессе проведения гидроразрыва пласта на Fenton Hill, New Mexico. При анализе показаний датчиков, установленных в ряде скважин, окружающих трещину гидроразрыва, было обнаружено, что на большинстве записей можно отметить одни и те же основные частоты. Следовательно, спектральный состав сигнала «длиннопериодных колебаний» зависит не от пути прохождения волны от источника к приемнику, а от характера источника. Численное моделирование эксперимента на основе описанной выше модели [Chouet, 1986] продемонстрировало хорошую точность, подобранные по расчету параметры системы незначительно отличались от данных, полученных независимыми методами.
Несмотря на довольно обширный материал натурных наблюдений и подробную теорию, лабораторных исследований, посвященных вопросу распространения интерфейсных волн, на настоящее время известно мало. Следует отметить, пожалуй, лишь работу [Henry, 2005], которая, однако, обладает рядом существенных недостатков. В частности, авторам не удалось добиться хорошей повторяемости результатов, позволяющей с уверенностью говорить об однозначной зависимости свойств интерфейсных волн от параметров щели.
Таким образом, выполненный анализ экспериментальных данных и теоретических моделей, относящихся к динамической реакции геофлюидных систем, показывает, что можно выделить, по крайней мере, три типа движения флюида, обусловленных воздействием волн землетрясения, взрыва или вибратора.
Первый - это колебательное движение в системе скважина- коллектор или подземная полость (зона повышенной пористости), возбуждаемое проходящими сейсмическими волнами. Закономерности этого процесса хорошо известны и, наряду с характеристиками пласта, в значительной мере определяются параметрами сейсмической волны.
Ко второму типу можно отнести интерфейсные волны на границе флюид-твердое тело. Хотя этот тип взаимодействия детально описан теоретически, сведения об экспериментальном изучении явления практически отсутствуют. Для того чтобы ликвидировать этот пробел, одной из задач настоящей работы явилось экспериментальное исследование закономерностей возбуждения и распространения интерфейсных волн.
Третий тип движения - это медленные, по сравнению с периодом волны, изменения гидрогеологического режима. Если для ближней зоны взрыва или землетрясения механика подобных явлений разработана, то на значительном удалении от источника, где проявления остаточных поствзрывных или постсейсмических деформаций горного массива практически исключены, механизм остаточных флюидодинамических явлений остается неясным. Разработка феноменологической модели этого явления актуальна и также выбрана в качестве одной из задач диссертации.
Получение экспериментальных данных в ходе мониторинга гидрогеологических характеристик массива при слабых динамических воздействиях требует проведения высокоточных уровнемерных наблюдений и разработки методик учета вклада медленных процессов, таких как барические возмущения, приливные деформации, изменения режима питания пласта.
Таким образом, анализ имеющихся сведений по реакции геофлюидных систем на сейсмические колебания позволяет сформулировать следующие задачи, которыми поставлены нами в настоящей работе: Исследование в лабораторных экспериментах закономерностей инициирования и распространения интерфейсных волн в трещинах, заполненных жидкостью. Экспериментальное исследование процесса изменения гидравлической связи между пластом и скважиной под воздействием низкоамплитудных динамических воздействий. Разработка и отладка методики прецизионного мониторинга гидрогеологического режима пласта на территории геофизической обсерватории ИДГ РАН "Михнево". Разработка феноменологической модели постсейсмического изменения гидрогеологического режима.
Излучение сейсмических волн при распространении импульса давления в трещине
По данным бурения и скважинных исследований геолого-геофизический разрез детально изучен до глубины 115м [Горбунова, 2007]. Скважина пройдена в пределах моноклинально залегающей толщи разновозрастных пород. С поверхности до глубины 10.2 м распространены среднечетвертичные моренные отложения, залегающие с угловым несогласием на размытой поверхности среднекаменноугольных образований мощностью 65.9 м. Вскрытая мощность нежезалегающих пород нижнего карбона составляет 38.9 м.
Водовмещающие породы представлены известняками неравномерно трещиноватыми, доломитами, мергелями с подчиненными прослоями глин. Распространение основных водоупоров выдержано в региональном плане и обуславливает изолированность разновозрастных водоносных горизонтов и разобщенность их уровенных поверхностей. Уровень верхнего безнапорного каширского водоносного горизонта залегает на глубине 25.8 м, нижнего напорного алексинско-тарусского водоносного комплекса - на глубине 68 м.
Режим подземных вод естественный, ненарушенный с четко выраженными сезонными вариациями уровней. Основное питание верхний горизонт получает в период весеннего половодья - март-апрель.
Нижний напорный комплекс приурочен к области транзита слабо дренированных подземных вод и характеризуется неравномерным питанием в течение годового цикла. Наряду с весенним периодом питания также прослеживаются кратковременные циклы подъема пьезометрической поверхности в осенне-зимнее время. [Кочарян и др., 2008].
В целом, инженерно-геологический разрез территории ГФО «Михнево» имеет четко выраженное слоистое строение. На основе обобщения полученных экспериментальных данных [Горбунова 2007] выделяются 3 основных слоя. К первому отнесены среднечетвертичные отложения мощностью 10м, характеризующиеся низкими значениями пластовых скоростей от 0.3 до 0.75км/с. В пределах второго слоя, представленного породами среднего карбона мощностью 66м, наиболее высокие значения пластовых скоростей, до 2.2км/с, прослежены в обводненной толще пород, пониженные - до 1.85км/с -в горизонтах, преимущественно выполненных глинами. Третий слой вскрытой мощностью 39м, приуроченный к отложениям нижнего карбона, относительно однороден, значения пластовых скоростей составили 2.1км/с.
Первый куст из трех скважин на территории ГФО «Михнево» был пробурен в 2004 г. для проведения экспериментов с СГСВ. Скважина №1 имела глубину 31,8м и была обсажена колонной труб диаметром 159мм (внутренний диаметр 150мм) до глубины 21.8м. Скважина №2 глубиной 30.3м была обсажена колонной труб диаметром 108мм (внутренний диаметр 100мм) до глубины 24.3м. Скважина №3 глубиной 2м закреплена трубой диаметром 108мм (внутренний диаметр 100мм). Колонны труб во всех скважинах имели затрубную цементацию.
В 2007г. для уточнения инженерно-геологического строения и гидрогеологических условий территории расположения ГФО «Михнево» была пробурена скважина №4 диаметром 118мм и глубиной 115м, вскрывшая нижний напорный водоносный комплекс. По окончании бурения в скважине проведена пробная откачка. В результате выполненного комплекса скважинных исследований определены геофизические параметры и выделены интервалы водопритоков. После восстановления уровня воды в скважинах путем экспресс-опробований оценены фильтрационные параметры водовмещающих пород.
Для верхнего безнапорного каширского водоносного горизонта мощностью 1м водопроводимость составляет 1.3м/сут, коэффициент фильтрации — 1.9м/сут. По результатам измерений восстановления уровня после налива коэффициенты уровнепроводности и водоотдачи равны 4.7-10 м /сут и 0.02 соответственно. В нижнем алексинско-тарусском водоносном комплексе величина напора достигает 24м, водопроводимость в среднем составляет 4 м2/сут, коэффициент фильтрации - 0,13 м/сут, коэффициенты пьезопроводности и упругой вод отдачи равны 1,3-104 м2/сут и 2,3-10"4. Нижний алексинско-тарусский водоносный комплекс характеризуется относительно невысокими значениями коэффициента фильтрации и упругой водоотдачи и является информативным для постановки прецизионных измерений. Основной водоприток в скважину осуществляется в интервале 92-115 м. Рабочая часть ствола скважины составляет 62 % от вскрытой мощности водоносного комплекса [Кочарян и др., 2008]. Геолого-геофизический разрез скважины №4 приведен на рис. 2.22. Воздействие на пласт при помощи СГСВ осуществлялось нами в период с 2002 по 2005 год. Основная задача проводимых экспериментов заключалась в изучении влияния слабых вибраций на гидравлические свойства скважин в массиве известняка. Исследовались свойства водоносного слоя известняка, залегающего на глубине от 20.7-24м до 26.5-27м. При этом естественный уровень hs воды находился на глубине 26.15м. СГСВ был смонтирован на скважине №3, на расстоянии 4.8 и 8.1 м до скважин №1 и 2 соответственно. Режим работы установки был подобран таким образом, чтобы динамические напряжения в окрестности измерительных скважин были малы по сравнению с прочностными характеристиками массива. На рис.2.23 представлены записи скорости смещения грунта от однократного воздействия СГСВ на расстоянии 11м от источника и эпюра давления в воде на глубине 25м в скважине №1. Можно видеть, что амплитуда волны напряжений в грунте достаточно мала, таким образом какое-либо разрушение материала или прорастание существующих трещин в результате динамического воздействия должно быть исключено. Для исследования влияния работы устройства на фильтрационные характеристики массива известняка проводились следующие гидрогеологические наблюдения. В скважину до некоторого уровня hd заливалась вода, а затем при помощи секундомера и контактного датчика определялась зависимость уровня воды h = hd - hs от времени (Здесь hs статический уровень воды в скважине). Используя зависимость h(t), можно оценить эффективное значение проницаемости пласта. Гидрогеологическое опробование скважин по данной методике проводилось до начала динамического воздействия, сразу после сооружения скважин, а также в процессе воздействия и по его окончании. Это дало нам возможность отслеживать изменение проницаемости пласта как отклик на прилагаемое воздействие.
Результаты прецизионного мониторинга уровня воды в скважине на территории ГФО «Михнево»
Прецизионный мониторинг уровня воды в скважине на территории ГФО «Михнево» проводится с февраля 2008 года. Точность регистрации уровня составляет 0.1 мм, частота опроса - 1 секунда. Параллельно ведется регистрация атмосферного давления с точностью 0.1 гПа. Методика измерений и характеристики скважины подробно рассмотрены в разделе 2.3.
Наряду с результатами измерений в сформированную базу данных включены сведения и о внешних факторах, влияющих на режим подземных вод. В частности, систематизированы сведения по метеопараметрам (атмосферному давлению, температуре воздуха и количеству осадков), измеряемым каждые 3 часа на ближайшей метеостанции г. Серпухова. Данные по абсолютным отметкам уреза поверхностного водотока - реки Оки -обобщены по гидропостам ГУ "Московского ЦГМС-Р", расположенным в городах Серпухов и Кашира [Бюллетень..., 2009]. Это позволило проследить связь гидрологического режима реки Оки с алексинско-тарусским водоносным комплексом, вскрытым в наблюдательной скважине. По данным кросс-корреляционного анализа данных гидрологических и гидрогеологических измерений запаздывание сезонного подъема уровня в скважине относительно подъема уровня воды в р. Оке в период весеннего половодья достигает 65 суток и обусловлено невысоким значением коэффициента пьезопроводности и значительной удаленностью области питания подземных вод от пункта наблюдений [Горбунова и др., 2009].
Предварительно в 2008г. на основе кросс-спектрального анализа прецизионных вариаций уровня воды и атмосферного давления были определены значения квадрата модуля спектра когерентности, амплитудной передаточной функции (АПФ) и косинус разности фаз [Кочарян и др., 2008].
Полученные параметры подтверждают надежную изоляцию напорного водоносного горизонта от смежных пластов. Для обработки больших объемов данных использовались программы, написанные в среде Matlab 6. В качестве основных этапов обработки данных можно отметить выделение длиннопериоднои составляющей, очистку данных от влияния атмосферного давления и лунно-солнечных приливов. Поскольку на данном этапе работ исследовались достаточно медленные процессы, то исходные данные были децимированы в 3600 раз, что позволило серьезно сэкономить вычислительные ресурсы без потери информативности. Поскольку регистрация неоднократно прерывалась по техническим причинам, на основе ежесуточных ручных замеров уровня была выполнена сплайн-интерполяция данных. Предварительный анализ данных Для анализа периодических факторов, влияющих на уровень подземных вод целесообразно очистить данные от длиннопериодного тренда, определяемого питанием горизонта. Для этого мы применили метод скользящего среднего с окном 2160 часов (90 суток) в среде Matlab 6. На рис. 4.4 приведен амплитудный спектр данных, очищенных от длиннопериоднои составляющей и атмосферного давления. На спектре можно довольно четко выделить ряд суточных и полусуточных периодов, вызванных приливным взаимодействием (подробнее см. ниже). К влиянию приливов, по-видимому, следует отнести и менее значительный пик в области 8 часов, связанный, вероятно, с лунной волной М3 с периодом 8.2804 часа [Мельхиор, 1968]. Кроме того, можно выделить довольно слабый пик на значении порядка 27.5 суток, вероятно, определяемый лунной Мт волной с периодом 27.5545 суток. Более длиннопериодные гармоники пока сложно разделить с достаточной точностью из-за небольшого объема накопленных данных, однако уже сейчас можно отметить довольно значительный пик с периодом около 80-100 суток, однако эта мода с большой вероятностью имеет климатическое, а не приливное происхождение. Дальнейшие наблюдения за уровнем воды, питанием горизонта и метеопараметрами позволят сделать выводы о причине появления и более точном периоде данной гармоники. Влияние атмосферного давления на уровень подземных вод Экспериментально установлено, что в системе "атмосфера - напорный водоносный горизонт - открытая скважина" изменение уровня воды под действием перепадов атмосферного давления происходит в результате деформации водовмешающих пород за счет дополнительного эффективного напряжения, а также за счет давления на уровень подземных вод, установившийся в скважине. Временные ряды вариаций атмосферного давления и уровня водоносного горизонта на территории ГФО "Михнево" изменяются в противофазе. На ежемесячных диаграммах "давление - уровень", построенных по данным прецизионных измерений, четко выделяются интервалы, характеризующиеся отклонением от обратной линейной зависимости, обусловленные значимыми вариациями уровня в периоды питания (разгрузки) водоносного горизонта. Одна из таких диаграмм показана нарис. 4.5 На рис. 4.6 приведен временной ряд барометрической эффективности К, вычисленной по методике, приведенной в разделе 2 (формула 2.10). Синими значками обозначены все вычисленные значения по месяцам, в которых запись не прерывалась как минимум 14 суток, что позволяет исключить постоянный тренд методом среднего окна с шириной 120 часов.
