Определение направления и скорости движения подземных вод методом заряда

Лабораторная №10

(гидрогеологический вариант метода заряда)

Обычные способы решения этой задачи требуют несколько скважин, по которым скорость пластовых вод определяется либо путем запуска в одну из скважин индикатора с последующим улавливанием его в других скважинах и вычисления коэффициента фильтрации. Эти способы рассматриваются в специальных курсах по гидрогеологии.

Метод заряженного тела позволяет решать эту задачу с использованием только одной скважины. Для этого в скважину, вскрывшую водоносный горизонт, вводится в узком пористом мешке длиной 0,5 – 1,0 м какую-либо хорошо растворимую соль (чаще всего обычную поваренную соль).

Подземный поток постепенно растворяет соль и выносит раствор по направлению своего движения (рис. 1), образуя в пласте солевой ореол вокруг скважины в виде эллипса, вытянутого вдоль направления течения потока подземных вод. Поскольку солевой ореол (высокоминерализованная вода) обладает хорошей проводимостью, его положение в пространстве и скорость изменения этого положения, могут быть определены методом заряженного тела.

Рис.1. Исследование методом заряженного тела (гидрогеологический вариант).
а – блок-схема: А и В – питающие электроды; Б – источник электрического тока; I – измеритель силы тока; N – неподвижный и М – подвижный приёмные электроды; ∆U – измеритель напряжения; S₀, S₁, S₂, S_{3 …} – положения контуров области, насыщенной электролитом, для момента времени t₀, t₁, t₂, t₃; б – изолинии потенциалов; в – график смещений изолиний; г – график скоростей; д – таблица полевых наблюдений.

При этом в мешке с солью, опускаемом в скважину, закрепляют один из питающих электродов (А), другой относится на 1-2 км «в бесконечность» (обычно 10 – 15 кратная глубина до исследуемого горизонта). Поле электрода, расположенного в скважине изучают на поверхности путем съемки эквипотенциальных линий.

Перед зарядкой скважины солью выполняют съемку одной или нескольких эквипотенциальных линий.

Питающий электрод А опускают в скважину на уровень водоносного горизонта (пока без мешка с солью), электрод В относят в бесконечность и в цепи АВ пропускают ток с помощью генератора или источника постоянного тока.

Опорная топографическая сеть представляет собой систему лучевых профилей, проложенных через 30 – 45 градусов с центром у устья скважины. Начальный радиус изолинии берется равным примерно 1,5–2 кратной, а в случае обсаженной скважины – 2-3 кратной глубине до водоносного горизонта.

Приемный электрод N устанавливают на исходном профиле на расстоянии начального радиуса изолинии и, передвигая электрод М по следующему профилю, ищут точку, где разность потенциалов в линии МN равна нулю.. Найденную точку отмечаю колышком на профиле. Затем электрод N устанавливают у колышка, а электродом М на следующем профиле определяют точку нулевой разности потенциалов. Таким образом, передвигаясь вкруговую по всем профилям, прослеживают исходную (нулевую) изолинию, положение которой отмечается последовательно колышками на всех профилях. Если скважина пробурена в относительно однородных по латерали породах, изолинии будут близки по форме к окружностям с центром у устья скважины.

В том же порядке съемку изолиний выполняют непосредственно после зарядки скважины солью, а затем повторные съемки проводят через интервалы времени, тем большие, чем меньше скорость потока. Эти интервалы колеблются от нескольких часов до нескольких суток.

Чаще снимают 3 - 5 изолиний, выявляют их центры и по направлению смещения центров устанавливают направление, а по величине смещения изолиний (по лучу) – скорость течения подземных потоков.

При отсутствии помех часто используют не прослеживание изолиний, а измерение потенциалов относительно эпицентральной точки потока. В этом случае электрод N устанавливается у устья скважины, а электрод М последовательно, с постоянным шагом перемещают вдоль каждого профиля, измеряя потенциалы электрода М относительно N.

По полученным данным строят планы изолиний до зарядки скважины и после проведения повторных съемок (рис. 1).

Так как минерализованная вода является хорошим проводником, то при проведении повторных съемок форма изолиний меняется, из окружностей они превращаются в овальные кривые, вытянутые в направлении движения подземных вод, в соответствии с формой солевого ореола.

Направление движения потока определяется как направление того луча, по которому смещение изолиний от съемки к съемке сохраняется максимальным. Если обозначить через ∆R1, ∆R2, ∆R3 максимальные смещения изолиний по лучу, то средние значения скорости в промежутках времени ∆t1, ∆t2, ∆t3 между каждой парой наблюдений определяются следующим образом:

V1 = ∆R1/∆t1; V2 = ∆R2/∆t2; V3 = ∆R3/∆t3

где ∆R – расстояние по лучу между двумя смещёнными изолиниями, а ∆t – промежуток времени между двумя соседними наблюдениями.

Опыт показывает, что в начальные моменты времени, когда идёт процесс становления солевого ореола, значения наблюдённой скорости оказываются заниженными. Лишь по прошествии некоторого времени, после засоления скважины, наблюдённая скорость отвечает истинной. Поэтому истинная скорость потока определяется как асимптотическое значение скорости по графику зависимости V = f(t), построенному в результате определения не менее трех значений скоростей (рис. 1).

Практика работ показывает, что описанный способ определения скорости потока дает надежные результаты в необсаженных скважинах или при обсадке скважины неметаллическими трубами. Влияние колонны обсадных труб обычно выражается в уменьшении наблюденной скорости относительно истинной.