ОПЫТ ОБРАБОТКИ ДАННЫХ ОПЫТНО-ФИЛЬТРАЦИОННЫХ РАБОТ В ТРЕЩИНОВАТЫХ ПОРОДАХ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ АНАЛИТИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ И ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

Овинников А.Е.¹, Переверзева С.А.², Бердичевская Т.А.³, Васькова Н.А.⁴, Кобзев А.Г.⁵

¹Аспирант, Всероссийский научно-исследовательский геологический институт им. А.П. Карпинского (ВСЕГЕИ), ²ORCID: 0000-0003-1621-0558, кандидат геолого-минералогических наук, Санкт-Петербургский Государственный Университет (СПбГУ), ³Аспирант, Санкт-Петербургский Государственный Университет (СПбГУ), ⁴Инженер I категории, АО «СПб НИИИ «Энергоизыскания», ⁵Ведущий инженер, АО «СПб НИИИ «Энергоизыскания»

ОПЫТ ОБРАБОТКИ ДАННЫХ ОПЫТНО-ФИЛЬТРАЦИОННЫХ РАБОТ В ТРЕЩИНОВАТЫХ ПОРОДАХ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ АНАЛИТИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ И ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

Аннотация

Строительство энергетического объекта на севере Египта предусматривает выполнение опытно-фильтрационных (ОФР) работ с целью определения водообильности пород приповерхностных водоносных горизонтов. Это обусловлено необходимостью сооружения дренажных систем для безопасного проведения строительства, а также дальнейшей эксплуатации объекта.  Приведены результаты обработки ОФР на основании аналитических решений, указаны преимущества и недостатки выбранной расчетной схемы. Описана необходимость создания численных моделей. Проведено сравнение результатов интерпретации по аналитическим решениям и на основании численного моделирования.

Ключевые слова: гидрогеология, опытно-фильтрационные работы, трещиноватые породы, численное моделирование.

Ovinnikov A.E.¹, Pereverzeva S.A.², Berdichevskaya T.A.³, Vaskova N.A.⁴, Kobzev A.G.⁵

¹Postgraduate Student, A.P. Karpinsky Russian Geological Research Institute, ²ORCID: 0000-0003-1621-0558, PhD in Geology and Mineralogy, St. Petersburg State University, ³Postgraduate Student, St. Petersburg State University, ⁴Engineer of the 1st category, JSC St Petersburgh Research Institute “Energoizyskaniya”, ⁵Leading Engineer, JSC St Petersburgh Research Institute “Energoizyskaniya”

EXPERIENCE OF DATA PROCESSING OF EXPERIMENTAL FILTRATION WORK IN FISSURED GROUND WITH THE USE OF ANALYTICAL SOLUTIONS AND NUMERICAL MODELING

Abstract

The construction of an energy facility in the north of Egypt involves the implementation of experimental filtration (EFW) works to determine the water availability of rocks of near-surface aquifers. This is due to the need to build drainage systems for safe construction, as well as further operation of the facility. The results of processing the EFW on the basis of analytical solutions are given; the advantages and disadvantages of the chosen calculation scheme are indicated. The necessity to create numerical models is described. Comparison of interpretation results with analytical solutions and numerical simulation is performed.

Keywords: hydrogeology, experimental filtration work, fissured strata, numerical modeling.

Введение

В рамках инженерно-геологических изысканий для строительства энергетического объекта на севере Египта, АО «СПб НИИИ «Энергоизыскания» был выполнен ряд полевых исследований, в том числе опытно-фильтрационные работы (ОФР), включавших в себя проведение одиночных и кустовых опытных откачек [4], [7], [8]. Целью проведения ОФР являлось определение водообильности приповерхностных водоносных горизонтов.

Гидрогеологические условия рассматриваемой территории

На рассматриваемой территории выделяются два гидравлически связанных между собой водоносных горизонта [9], [10]:

−      прибрежный водоносный горизонт,

−      водоносный горизонт известняков.

Прибрежный водоносный горизонт развит вдоль побережья Средиземного моря и приурочен к четвертичным отложениям, представленными песками и песчаниками. Подземные воды – безнапорные, в основном, солоноватые и соленые за счет проникновения морской воды. Питание подземных вод происходит в основном за счет атмосферных осадков, а также просачивания локальных осадков и морских вод.

Водоносный горизонт известняков распространен в северной и средней частях Западной Пустыни. Водоносный горизонт безнапорный. Водовмещающими породами являются преимущественно известняк-ракушечник разной степени кавернозности и трещиноватости и известняк меловой.

Питание водоносного горизонта происходит, в основном, за счет инфильтрации атмосферных осадков и подтягивания морской воды через хорошо проницаемые верхние известняки.

Анализ результатов ОФР

Аналитическое решение

Ввиду хорошей гидравлической связи между прибрежным водоносным горизонтом и водоносным горизонтом известняков, интерпретация результатов ОФР осуществлялась по схеме двухслойного пласта [6, С. 204], которая подразумевает наличие двух водоносных пластов: верхнего слабопроницаемого и нижнего хорошо проницаемого. На исследуемой территории такими являются песчаник и известняк-ракушечник соответственно.

В рамках выбранной схемы было использовано аналитическое решение Мироненко (1,2) [5, С. 365]:

   (1)

   (2)

где Q – расход опытной скважины, м3/сут; R(t) – условный радиус влияния, м; r – расстояние от опытной скважины до наблюдательной, м; T – проводимость хорошо проницаемого пласта, м²/сут; S_y – гравитационная водоотдача слабопроницаемого пласта; S – упругая водоотдача хорошо проницаемого пласта; m' – начальная обводненная мощность слабопроницаемого пласта, м; k' – коэффициент фильтрации слабопроницаемого пласта, м/сут.

Решение (1) используется для наблюдательных скважин, находящихся на расстоянии меньше условного радиуса влияния: r ≤ R(t).

По данным понижения уровня в основном пласте с помощью уравнения (2) определяются: проводимость и водоотдача основного пласта (T, S), гравитационная водоотдача и коэффициент фильтрации слабопроницаемого слоя (S_y, k').

На основании данных по понижениям в скважинах опытных кустов, было выявлено, что в нескольких центральных скважинах присутствует ярко выраженная зона кальматации. В связи с тем, что выбранная расчетная схема не позволяет учесть эту зону, обработка откачек производилась только по наблюдательным скважинам и центральным скважинам, в которых такая зона отсутствует. Всего было проинтерпретировано 11 одиночных и кустовых откачек. Коэффициенты фильтрации, полученные в результате обработки представлены в табл. 1.

 

Таблица 1 – Коэффициенты фильтрации, полученные по результатам обработки откачек

№ опытного куста	Средние значения коэффициентов фильтрации по опытным кустам (kf), м/сут
	песчаники	известняки
1	5	137
2	3	138
3	5	118
4	1	132
5	15	300
6	15	135
7	6	279
8	5	145
9	6	104
10	5	64
11	5	145

 

Преимуществом выбранной схемы обработки является то, что представляется возможным получить значения коэффициентов фильтрации отдельно по слоям песчаников и известняков. Однако, данные бурения гидрогеологических и инженерно-геологических скважин, а также результаты интерпретации геофизических исследований (на основании скорости распространения продольных волн) говорят о том, что в пределах слоев песчаника и известняка-ракушечника присутствуют неоднородности (трещиноватость, кавернозность, выветрелые породы, дресвяные и щебенистые грунты и другие).

Численное моделирование

Создание численной фильтрационной модели откачки позволяет отойти от рамок аналитических решений [1], [2]. В том числе, учесть анизотропию свойств коэффициента фильтрации во всех направлениях и схематизировать условия проведения откачки таким образом, чтобы они были максимально приближены к реальным [3].

С помощью программного комплекса Processing MODFLOW были созданы численные фильтрационные модели опытных кустов. Для каждой отдельной модели плановая схематизация была одинаковой: откачивающая скважина расположена в центре моделируемой области площадью 900 м²; на расстоянии 3,5/7 м по одному/двум лучам располагаются наблюдательные скважины. Размеры блоков – 1м × 1м, количество блоков по вертикали и по горизонтали – 30 штук. В районе центральной и наблюдательных скважин блоки имеют более мелкую разбивку – 0,2м × 0,2м, а на участках между скважинами – 0,5м × 0,5м (рис. 1).

Вверху каждой модели задавалась граница обеспеченного питания. Задание такой границы обусловливается близостью значений уровня моря и уровня подземных вод, а также тем, что депрессионная воронка не доходит до границ моделируемой области. Так как модельные значения понижений оказались очень чувствительными к величинам напоров, которые задаются на границе, временная составляющая была поделена на несколько стресс-периодов, с определенным количеством временных шагов. Это было сделано в первую очередь для того, чтобы при калибровке, модельные понижения соответствовали реальным моментам замеров уровней при проведении ОФР, а также для того, чтобы граница обеспеченного питания являлась динамической, т.е. были учтены реальные суточные колебания уровня моря.

Рис. 1 – Общая схематизация моделей и граничные условия

 

Профильная разбивка и выделение модельных слоев осуществлялось с учетом неоднородностей, встречающихся в толще известняка-ракушечника (каверны, трещиноватость, дресвяно-щебенистые грунты) (рис. 2).

Каждый выделенный модельный слой принимался однородным в плане и  (коэффициент анизотропии) = 1.

Рис. 2 – Схематизация разреза на примере скважины № 3

 

Калибровка осуществлялась путем подбора значений коэффициентов фильтрации по отдельно выделенным модельным слоям (табл. 2) таким образом, чтобы фактические и модельные графики понижения во времени по наблюдательным скважинам максимально совпадали друг с другом (рис. 3).

 

Таблица 2 – Коэффициенты фильтрации по результатам моделирования на примере скважины № 11

№ модельного слоя	Коэффициенты фильтрации (kf), м/сут	Средний коэффициент фильтрации водовмещающей толщи по модели, м/сут
1	5	210
2	300
3	450
4	150

 

Рис. 3 – График понижения во времени по скважине № 11

 

Сравнение результатов интерпретации ОФР

 Значения коэффициентов фильтрации известняков, получившихся в результате моделирования были сопоставлены со значениями, полученными по результатам обработки откачек с помощью аналитических решений. Из табл. 3 видно, что наибольшая сходимость результатов наблюдается по опытному кусту № 10.

 

Таблица 3 – Сравнение значений коэффициентов фильтрации

№ опытного куста	Средние значения коэффициентов фильтрации (kf), м/сут
	Численное моделирование	Аналитические решения
1	95,0	136,8
2	98,7	138,0
3	162,8	117,6
4	266,7	131,5
5	202,1	300,0
6	87,5	134,7
7	133,2	278,7
8	87,2	144,7
9	185,4	104,4
10	66,7	64,4
11	209,8	145,3

 

Наименьшая сходимость результатов аналитического решения и численного моделирования наблюдается по кустам № 4 и № 7. Расхождения между модельными и аналитическими значениями коэффициентов фильтрации вероятно связано с тем, что в рамках выбранного аналитического решения, ряд факторов (инфильтрационное питание, активная пористость, граница обеспеченного питания), оказывающих влияние на динамику подземных вод и проницаемость водовмещающих пород, не могут быть учтены.

Выводы: 1. Интерпретация ОФР по схеме двухслойного пласта позволяет определить значения коэффициентов фильтрации отдельно для слоев песчаников и известняков.

2. Моделирование опытных кустовых откачек с помощью численных методов позволило расчленить всю толщу известняков на отдельные слои с различной проницаемостью:

1) известняк-ракушечник;

2) кавернозный известняк-ракушечник;

3) трещиноватый известняк-ракушечник;

4) дресвяно-щебенистый грунт известняка-ракушечника.

Коэффициенты фильтрации всей водовмещающей толщи, полученные по результатам численного моделирования, в целом, оказались сопоставимыми со значениями коэффициентов фильтрации, полученными в результате интерпретации ОФР с помощью аналитических решений.

Список литературы / References

1. Гриневский А. В. Оценка параметров геофильтрационного поля в условиях неопределенности. – ТУЛ ГУ. –Науки о земле. – 2016. – выпуск 3.
2. Громов В. Е. Методика обработки данных опытно-фильтрационных работ в слоистых толщах с использованием моделирования и аналитических решений / В.Е. Громов, И.С. Пашковский, Е.Ю. Потапова // Вестник Московского университета. Серия 4, Геология. – 2009. – № 6. – С. 45-51.
3. Манукьян В. А. Оценка проницаемости современных тектонических нарушений (ослабленных зон) в глинах с помощью опытно-фильтрационных работ / В.А. Манукьян, А.А. Анненков, М.Л. Глинский, С.В. Святовец // Разведка и охрана недр – 2015. – №1. – С. 39-45.
4. Мироненко В. А. Теория и методы интерпретации опытно-фильтрационных работ / В.А. Мироненко, В.М. Шестаков // – М.: Недра, 1973.
5. Синдаловский Л. Н. Справочник аналитических решений для интерпретации данных опытно-фильтрационных работ. – СПб: Издательство СПбГУ, 2006. – 768 С.
6. Синдаловский Л. Н. ANSDIMAT программный комплекс для определения параметров водоносных пластов. – СПб: Издательство «Наука», 2011. – 335 С.
7. Шестаков В. М. Динамика подземных вод. – М.: Издательство Московского Университета, 1973. – 327 С.
8. Шестаков В. М. Определение коэффициента фильтрации для анизотропных пластов по данным откачек // Разведка и охрана недр. – 1955. – №6. С. 52-55.
9. Mohamed Bakhbakhi Hydrogeological framework of the Nubian Sandstone Aquifer System // Proceedings of the International Workshop Tripoli, Libya, 2-4 June 2002.
10. Mohamed Yousif Hydrogeological investigation of shallow aquifers in an arid data - scarce coastal region (El Daba’a, northwestern Egypt) /Mohamed Yousif, Robert van Geldern, Olaf Bubenzer// Hydrogeology Journal. – –Vol. 24. – P. 159 –179.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Grinevskij A. V. Ocenka parametrov geofil'tracionnogo polja v uslovijah neopredelennosti [Estimation of parameters of geofiltration field in the face of uncertainty] – TUL GU. –Nauki o zemle [Earth science]. – 2016. - vypusk 3. [in Russian]
2. Gromov V. E. Metodika obrabotki dannyh opytno-fil'tracionnyh rabot v sloistyh tolshhah s ispol'zovaniem modelirovanija i analiticheskih reshenij [Methodology for data processing of experimental filtration works in layered strata using modeling and analytical solutions] / V.E. Gromov, I.S. Pashkovskij, E.Ju. Potapova // Vestnik Moskovskogo universiteta [Bulletin of Moscow University]. Serija 4, Geologija. – 2009. – № 6. – P. 45-51. [in Russian]
3. Manuk'jan V. A. Ocenka pronicaemosti sovremennyh tektonicheskih narushenij (oslablennyh zon) v glinah s pomoshh'ju opytno-fil'tracionnyh rabot [Estimation of permeability of modern tectonic disturbances (weakened zones) in clays with the help of experimental filtration works]/ V.A. Manuk'jan, A.A. Annenkov, M.L. Glinskij, S.V. Svjatovec // Razvedka i ohrana nedr [Exploration and protection of bowels] – 2015. – №1. – S. 39-45. [in Russian]
4. Mironenko V. A. Teorija i metody interpretacii opytno-fil'tracionnyh rabot [Theory and methods of interpretation of experimental-filtrational works] / V.A. Mironenko, V.M. Shestakov // – M.: Nedra, 1973. [in Russian]
5. Sindalovskij L. N. Spravochnik analiticheskih reshenij dlja interpretacii dannyh opytno-fil'tracionnyh rabot [Handbook of analytical solutions to interpret the data of experimental-filtrational works] – SPb: Izdatel'stvo SPbGU [Publishing House of SPbGU]. 2006. – 768 P. [in Russian]
6. Sindalovskij L. N. ANSDIMAT programmnyj kompleks dlja opredelenija parametrov vodonosnyh plastov [ANSDIMAT software complex for determining the parameters of aquifers] – SPb: Izdatel'stvo «Nauka», 2011. – P. 204-205. [in Russian]
7. Shestakov V. M. Dinamika podzemnyh vod [Groundwater dynamics] – M.: Izdatel'stvo Moskovskogo Universiteta [Publishing House of Moscow University]. 1973. – 327 P. [in Russian]
8. Shestakov V. M. Opredelenie kojefficienta fil'tracii dlja anizotropnyh plastov po dannym otkachek [Determination of filtration coefficient for anisotropic formations by pumping-out data] // Razvedka i ohrana nedr. – 1955. – №6. P. 52-55. [in Russian]
9. Mohamed Bakhbakhi Hydrogeological framework of the Nubian Sandstone Aquifer System // Proceedings of the International Workshop Tripoli, Libya, 2-4 June 2002.
10. Mohamed Yousif Hydrogeological investigation of shallow aquifers in an arid data - scarce coastal region (El Daba ’a, northwestern Egypt) / Mohamed Yousif, Robert van Geldern, Olaf Bubenzer // Hydrogeology Journal. – 2016. –Vol. 24. – 159 –179.