ФИЗИКА ЗЕМЛИ, 2009, № 10, с. 69-78
УДК 550.34.06.03.2
ОЦЕНКА ДЕФОРМАЦИОННЫХ СВОЙСТВ СИСТЕМЫ "ПЛАСТ-СКВАЖИНА" НА ОСНОВЕ АНАЛИЗА БАРОМЕТРИЧЕСКОГО И ПРИЛИВНОГО ОТКЛИКОВ УРОВНЯ ВОДЫ В СКВАЖИНЕ
© 2009 г. Г. Н. Копылова1, Э. М. Горбунова2, С. В. Болдина1, Д. В. Павлов2
камчатский филиал Геофизической службы РАН, г. Петропавловск-Камчатский 2Институт динамики геосфер РАН, г. Москва Поступила в редакцию 25.12.2008 г.
На основании исследования барометрического и приливного откликов уровня воды в скважине, расположенной на территории геофизической обсерватории Института динамики геосфер РАН "Михнево", установлены статически изолированные условия в рассматриваемой гидрогеологической системе "пласт-скважина" на периодах >3 ч. Оценены значения барометрической эффективности, приливной чувствительности уровня воды, упругие параметры и пористость водовмещающих пород. Построена модель инерционности водообмена в системе "пласт-скважина" в зависимости от периода вариаций с учетом конструкции скважины, водопроводимости и упругой емкости водоносного горизонта. Результаты моделирования находятся в соответствии с поведением амплитудной передаточной функции от вариаций атмосферного давления к изменениям уровня воды. По результатам обработки данных прецизионных измерений уточнена величина водопроводимости водоносного горизонта, полученная по данным опытно-фильтрационных работ.
РЛС8: 91.45.Xz
ВВЕДЕНИЕ
Прецизионные наблюдения за вариациями уровня подземных вод представляют традиционный компонент системы геофизического мониторинга, направленного на диагностику напряженно-деформированного состояния геологической среды (НДСС). В сейсмоактивных районах России (на Дальнем Востоке, Забайкалье, Северном Кавказе) такие измерения целенаправленно проводятся в течение последних десятилетий с целью поиска предвестников землетрясений [Копылова и др., 2007]. В асейсмичных регионах России, преимущественно в пределах Московского артезианского бассейна (МАЕ), прецизионные уровнемерные наблюдения выполнялись эпизодически и, в основном, были направлены на изучение приливного отклика уровня воды в скважинах [Любушин и др., 1997; Багмет и др., 1989].
С февраля 2008 г. в скважине, расположенной на территории геофизической обсерватории Института динамики геосфер РАН "Михнево" (ГО ИДГ РАН "Михнево"), приуроченной к южной окраине МАБ, организованы высокоточные уровнемерные наблюдения, синхронные с измерениями атмосферного давления на приустьевой площадке. Полученный ряд данных использовался для изучения барометрического и приливного откликов уровня воды и оценки инерционности водообмена в системе "пласт-скважина" с целью выделения частотного
диапазона регистрации сигнала, информативного для определения деформации водовмещающих пород опорного водоносного горизонта.
НАУЧНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ ОПЫТ ОБРАБОТКИ РЕЗУЛЬТАТОВ
ПРЕЦИЗИОННЫХ УРОВНЕМЕРНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ
В асейсмичном регионе в вариациях уровня воды в скважинах, вскрывающих напорные водоносные горизонты, могут проявляться отклики на упругую деформацию водовмещающих пород, обусловленные постоянно действующими факторами атмосферной нагрузки и лунно-солнечных приливов.
Если скважина вскрывает изолированный водоносный горизонт, фильтрацией воды в котором можно пренебречь, и водообмен между насыщенными горными породами и стволом скважины не искажает реакцию уровня на изменение порового давления, то, в этом случае, вариациям атмосферного давления будет соответствовать отклик уровня, амплитуда которого ДНЪ линейно связана с вертикальной барометрической нагрузкой ДЪ:
Мъ = -(1М1 - (В/3)(1 + vн)/(1 - хи)]ДЬ. (1)
Приливы в твердой Земле сопровождаются объемной деформацией водонасыщенных горных пород. В этом случае амплитуда приливного отклика
уровня воды в скважине Aht пропорциональна амплитуде деформации Ae:
Aht = -(1/pBg)(2GB/3)[(1 + v„)/(1 - 2vJ]Ae, (2)
где рв - плотность воды, g - ускорение свободного падения. Коэффициенты связи в (1)-(2) определяются упругими параметрами резервуара: модулем сдвига G, коэффициентом Скемптона B и коэффициентами Пуассона для недренированных условий vu [Roeloffs, 1988].
В практике уровнемерных наблюдений для характеристики барометрического отклика уровня используется величина барометрической эффективности Eb = -Ahb/Ab и ее зависимость от периода вариаций. Если в некотором диапазоне периодов обнаруживаются постоянные значения Еь, то это означает, что в этом диапазоне водообмен между скважиной и насыщенными горными породами, а также фильтрационные процессы, не оказывают искажающего воздействия на проявление барометрического отклика уровня воды. В пределах проявления статической величины барометрической эффективности оценивается диапазон периодов вариаций уровня воды, представительный для определения приливного отклика и оценки дефор-мометрических свойств наблюдательной системы "пласт-скважина".
Для характеристики приливного воздействия в отфильтрованных рядах измерений уровня воды после снятия эффекта барометрической нагрузки выделяются амплитуды отдельных приливных волн и оцениваются фазовые соотношения между приливными вариациями уровня и соответствующими компонентами приливного гравитационного потенциала. Величина приливной чувствительности уровня воды Av по отношению к теоретической или экспериментально зарегистрированной приливной деформации горных пород может быть рассчитана по соотношению:
Av = -Aht/Ae, (3)
где Aht - амплитуда приливных вариаций уровня воды, см; Ae - амплитуда приливных изменений объемной деформации, 10-9.
В работах [Копылова, 2006; Копылова и др. 2007; Rojstaczer, 1988; Rojstaczer, Agnew, 1989] в качестве важного показателя информативности уровнемерных наблюдений рассматривается обнаружение статически изолированного отклика уровня воды в скважинах наблюдательной сети и оценка его параметров - диапазона периодов проявления и величины приливной чувствительности уровня воды. Выделенный статически изолированный отклик уровня воды линейно связан с деформацией водо-вмещающего пласта и зависит от упругих параметров горных пород по (2).
Ограничение диапазона периодов статически изолированного отклика уровня воды в высокоча-
стотной области определяется инерционными свойствами системы "пласт-скважина" вследствие наличия ненулевой массы воды в стволе скважины. Для того, чтобы вариации уровня воды полностью отражали изменения порового давления, необходимо определить интервал периодов, соответствующий режиму стабилизации (равновесия) гидрогеологической системы "пласт-скважина", зависящий от конструкции скважины и фильтрационных характеристик водовмещающих пород.
В работе [Hsieh et al., 1987] предложена математическая модель изменений уровня воды в скважине при гармонических вариациях порового давления в пласте с учетом конструкции скважины (величин радиусов обсаженной rc и открытой частей ствола rw), водопроводимости Т и упругой емкости водовмещающих пород S. Рассматриваемая математическая модель основана на оценке зависимостей амплитудного соотношения и фазового сдвига между вариациями напора в водоносном пласте и уровня воды в скважине от периода вариаций. Для отдельных скважин эта модель адекватно описывает инерционность водообмена в системе "пласт-скважина" при изменении барометрической нагрузки [Болди-на, Копылова, 2006].
В низкочастотной области граница статически изолированного отклика уровня воды определяется, в основном, гидрогеологическими условиями -периодичностью и интенсивностью питания подземных вод, фильтрационными свойствами водовмещающих пород и параметрами подземного потока (скорость, расход) [Копылова, 2006; Rojstaczer, 1988].
Для скважин, вскрывающих изолированные напорные водоносные горизонты, диапазон периодов проявления статически изолированного отклика уровня воды может изменяться в широких пределах: от минут-первых часов до суток-десятков суток. В этом диапазоне в изменениях уровня воды могут проявляться вариации, соответствующие изменениям напряженно-деформированного состояния водоносного пласта при геодинамической активизации геологической среды.
МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ
В настоящей работе на основе изучения отклика уровня воды на барометрическое и приливное воздействие проводится оценка деформометрических и гидрогеологических параметров водоносного горизонта, вскрытого наблюдательной скважиной, расположенной в пределах асейсмичного региона. Выполнялся кросс-спектральный анализ вариаций уровня воды и атмосферного давления для определения величины барометрической эффективности Eb и ее зависимости от периода вариаций, а также приливной анализ вариаций уровня воды в диапазоне периодов 2-30 ч. по программе ETERNA 3.0
[Wenzel, 1994] с оценкой приливной чувствительности уровня воды по отношению к теоретическим величинам объемной и площадной деформации.
Для статически изолированных условий в системе "пласт-скважина" определены упругие параметры водовмещающих пород и пористость с использованием формул теории пороупругости [Rojstaczer, Agnew, 1989]. Фильтрационные и упругие параметры водоносного горизонта также оценивались по данным опытно-фильтрационных работ и по результатам анализа приливного и барометрического откликов уровня воды в скважине. Выполнено сопоставление результатов моделирования инерционности водообмена в системе "пласт-скважина" по [Hsieh et al., 1987] с изменением барометрической эффективности в зависимости от периода вариаций и с гидрогеологическими параметрами, рассчитанными по данным опробования скважины.
ХАРАКТЕРИСТИКА СКВАЖИНЫ И ДАННЫХ НАБЛЮДЕНИЙ
Прецизионные измерения вариаций уровня в скважине № 2 выполняются на территории ТО ИДГ РАН "Михнево", расположенной на расстоянии 3 км западнее д. Починки Ступинского района Московской области. Скважина № 2 (координаты 54.96° с.ш., 37.77° в.д., абсолютная отметка устья 167.5 м) оборудована погружным зондом LMP 308i (Германия) с точностью измерений вариаций уровня воды 0.5 мм и периодичностью опроса 1 с. В интервале 0-91 м скважина обсажена металлической колонной труб диаметром 127 мм. Ниже до глубины 115 м ствол скважины диаметром 118 мм открыт.
Стационарные наблюдени
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.