Оценка проницаемости современных тектонических нарушений (ослабленных зон) в глинах с помощью опытно-фильтрационных работ

Проведена беспрецедентная серия кустовых откачек для определения степени изолированности глубокого напорного песчаного горизонта. Анализ графиков прослеживания снижения уровня обнаружил ряд аномалий их поведения по площади исследований, связанных с линейной ослабленной зоной в глинах. С помощью решения обратной задачи на математической модели удалось численно оценить степень проницаемости ослабленной зоны.

Ключевые слова: напорный песчаный пласт, кустовые откачки, графики прослеживания уровня, ослабленные зоны, коэффициент фильтрации.

Основная задача исследований – поиск и разведка геолого-гидрогеологических структур, надёжно изолированных от поверхности и от эксплуатируемых водоносных горизонтов, обеспечивающих возможность захоронения жидких радиоактивных отходов.

Полевые работы проводились под руководством Я.П. Губы, А.А. Анненкова, В.В. Платонова, С.В. Святовца и других специалистов Гидрогеологической партии №101 ПГО “Гидроспецгеология” МинГео СССР. Обобщение и анализ материалов осуществлялись силами В.А. Манукьяна, Н.Е. Гаркушиной, Б.М. Зильберштейна, А.М. Слинко, Н.Н. Чертковой. Завершающее моделирование реализовал С.В. Святовец.

Решение подобной задачи потребовало применения широкого комплекса гидрогеологических и геолого-геофизических исследований на высоком научно-методическом и технологическом уровне. В процессе работ производились: бурение глубоких скважин и оборудование их обсадными колоннами с затрубной изоляцией цементным раствором, комплексный каротаж, длительные кустовые откачки и нагнетания, специальные виды исследований, включая сейсморазведку, гелиометрию, радиоизотопный анализ, лабораторные испытания керна и т.д. В 1986-1988 годах был выбран и освоен локальный участок, обеспечивший выполнение опробования уникальной системы технологических скважин с помощью серий кустовых откачек (рис.1). К 1994 году полученные материалы были обобщены. В настоящее время проведён тщательный анализ имеющихся результатов работ и представлена сумма доказательств о роли современных тектонических нарушений при оценке степени изолированности водоносных горизонтов. Для этого произведена переинтерпретация гидрогеологических схем с привлечением результатов сейсморазведки, а также выполнены аналитические исследования аномальных участков графиков изменения уровня, полученных при опытно-фильтрационных работах (ОФР). В заключении работы – выполнено численное моделирование процессов фильтрации путём решения обратных задач на математической модели с оценкой проницаемости тектонических нарушений (ослабленных зон).

1) Скважина. Сверху – номер, снизу – а.о. уровня, м. на I горизонт; 2) Скважина на минжульский горизонт. Сверху – номер, снизу – а.о. уровня, м. Гидропьезы; 3) I горизонт, стрелки – линии тока; 4) Минжульский горизонт, стрелка – линия тока; 5) Участок ОФР, ограниченный гидроизопьезами и линиями тока I горизонта; 6) Линия тектонического нарушения (ослабленной зоны) в горизонте “Б” по данным сейсморазведки; 7) Гидрогеологический разрез по линии I – I.

Рисунок 1. Схема гидроизопьез минжульского и I водоносных горизонтов на 24.09.1986 г.

На левобережье р. Енисей в юрском водоносном комплексе мощностью до 900 м был выбран участок детальных исследований (рис. 1). Комплекс состоит из чередования песчаных водоносных горизонтов мощностью до 100-150 м, разделённых существенно глинистыми прослоями мощностью свыше 70-80 м. Среди последних встречаются как отдельные линзы песков, алевролитов и песчаников, так и протяжённые маломощные горизонты водоносных песков. Условное литологическое расчленение комплекса на I, II и III водоносные горизонты (снизу вверх) и относительно водоупорные толщи «Б», «В», «Г», показано на рисунке 2. Выбранный для проведения ОФР минжульский песчаный подгоризонт мощностью до 23 м простирается от центра опытного участка на расстояние свыше 3 км. Он залегает в нижней половине глинистого водоупора «Б» и отделён от I водоносного горизонта слоем аргиллитоподобных глин средней мощностью 13,5 м. Минжульский подгоризонт отделен от II горизонта толщей глин мощностью 75-80 м.

Пьезометрические поверхности I-ого и Минжульского горизонтов близки друг к другу и изменяясь в пределах а.о. +173 м ÷ 173,9 м, отметки II-ого водоносного горизонта выше на 6-7 м (а.о. +180 м).

Кровля минжульского подгоризонта находится на а.о. – 480 м, отметки устьев опытных скважин на отметках ≈ +250 м, глубины до пьезометрических уровней – около 77 м, напор над кровлей составляет ≈ 654 м. Минжульский подгоризонт обладает невысокой водообильностью: дебит при откачках достигает 4,5÷13,5 л/с при понижениях соответственно 21,5-35,9 м. Минерализация подземных вод обоих комплексов достигает 0,8-0,9 г/л, воды хдлоридно-сульфатные кальциево-магниево-натриевые.

Подготовка для изучения свойств минжульского подгоризонта производилась путем бурения и предварительной прокачки пяти скважин, расположенных в виде неправильного пятиугольника со сторонами 230-460 м. Каждая скважина была надёжно изолирована от смежных водоносных горизонтов и оборудовалась фильтрами на всю мощность горизонта. Кустовые откачки длительностью 120-133 час. (5-5,5сут) проводились последовательно из каждой скважины с наблюдением за изменением уровня в остальных как в процессе самого опыта, так и после его остановки – в процессе восстановления уровня. Дебит откачки достигал 7-9 л/с. Расположение опытных скважин по площади позволило оценить изменчивость гидрогеологических параметров горизонта в плане и особенности его взаимодействия со смежными горизонтами, прежде всего, с нижележащим I горизонтом (Рис. 2. – блок-диаграмма).

1) Скважина. Сверху – номер. 2) Пунктиром обозначен лучи между скв. №№ Н-10 и Н-11. Цифра у пунктира (18) – значение проводимости, полученное при откачке из скв. Н-10 с наблюдательной скв. Н-11 и наоборот. 3) Предполагаемая зона тектонического нарушения (ослабленная зона).

Рисунок 2. Блок-диаграмма подошвы юрского водоносного комплекса с результатами опытно-фильтрационных работ.

При чисто напорном режиме фильтрации, совершенных по степени вскрытия пласта скважинах, относительно малой мощности «изолированного» горизонта и больших расстояниях до наблюдательных скважин (на порядок больше мощности), достаточно длительных откачках и заметных дебитах предполагалось легко получить истинные параметры минжульского водоносного горизонта. Расчёты проводимости были проведены с помощью общепринятого графоаналитического метода. В таблице 1 приведены результаты расчёта в виде матрицы.

Таблица 1. Матрица рассчитанных проводимостей по лучам скважин.

В левом вертикальном столбце перечислены скважины, из которых вода откачивалась, в верхнем горизонтальном ряду – те же скважины в качестве наблюдательных, в нижележащих ячейках – рассчитанные значения проводимости с левой скважиной в качестве центральной и остальными – в качестве наблюдательных. В матрице выделяются две зоны с близкими по значению показателями – скв. №№ Н-7, Н-8 и скв. №№ Н-9, Н-10, Н-11, проводимость которых минимальна и близка друг к другу (KM=18-33 м²/сут). Для проверки истинности этих параметров для исследуемого горизонта представлен график площадного прослеживания снижения уровня в процессе откачки из скв. № Н-9 на два момента времени – 88 часов и 133 часа (рис. 3). Рассчитанная проводимость по скв. №№ Н-10 и Н-11 оказалась равной 22,6 м²/сут, для скв. №№ Н-7 и Н-8 – 21,8 м²/сут. Расчётная прямая по последним скважинам оказалась сдвинутой относительно первой на 6,7 м. Можно принять полученные значения проводимости за истинные: KM=22 м²/сут. Результаты расчёта проводимости по остальным парам скважин дают значительный разброс значений от 70 м²/сут до 280 м²/сут. Эти значения указывают на возможность перетекания в минжульский горизонт из Iгоризонта.

Проницаемость глин горизонта Б исследовалась лабораторными методами в институте ВСЕГИНГЕО на 58 образцах. Коэффициент фильтрации оказался характерным для глин, изменяясь в пределах Ко=10^-7÷1,4∙10^-6 м/сут. Для определения параметра площадного перетекания через разделяющий слой из минжульского горизонта в I горизонт было проведено нагнетание в скв. № 107 с наблюдением за изменением уровня в  скв. № 108. Расчёты перетекания по М. Хантушу показали проницаемость глин, равную Ко=4∙10^-6 - 2,9∙10^-5 м/сут.

Рисунок 3. 1) Депрессионная кривая в полулогарифмическом масштабе на момент времени t=133 ч. для наблюдательных скважин №№ 11 и 10 (градиент C=8,55; km=22,6 м²/сут). 2) То же для скважин №№ 7 и 8 (градиент C=8,85; km=21,8 м²/сут).

Для расшифровки картины перетекания в описанных выше опытах используем для наглядности блок-диаграмму нижней части юрского водоносного комплекса с указанием всех значений проводимости, для расчётных пар скважин (центральной и наблюдательными), рассчитанными по результатам кустовой откачки (рис. 2). Существующие в плане две зоны (см. выше) дают близкие к истинным значения проводимости минжульского горизонта. Как только расчёт проводимости выполняется по парам скважин (между скважинами №№ Н-10 – Н-7 и Н-8 – Н-9) находящимся в разных блоках и межблоковая граница, таким образом, находится между этими скважинами, рассчитанные проводимости значительно возрастают относительно истинных. Такую гипотетическую границу можно представить в качестве границы III рода. Инверсия линейного источника происходит при пересечении депрессионной воронкой этой границы, вызывая выполаживание соответствующих графиков прослеживания снижения уровня. В условиях существующего напорного режима в обоих горизонтах высокие значения проводимости, полученные по этим графикам, должны соответствовать суммарной проводимости Iи минжульского горизонтов. (Таблица 1).

Отбросим все минимальные значения проводимости, полученные вне выделенных зон и максимальное значение, равное 280 м²/сут, принимаем в качестве суммарного значение проводимости KM=222 м²/сут, из которой на долю минжульского горизонта приходится 22 м²/сут, на долю I горизонта – 200 м²/сут. Отсюда средний коэффициент фильтрации I горизонта К_I=200/150=1,33 м/сут, коэффициент фильтрации минжульского горизонта K_M=22/23=0,96 м/сут.

Рассчитанная по ближайшим кустовым откачкам из I горизонта (скв. № А-14ц) проводимость КМ=189 м²/сут, что вполне соответствует принятому выше значению проводимости Iгоризонта.

Прежде чем анализировать пьезометрические поверхности обоих горизонтов, показанные на рисунке 1, воспользуемся результатами уточнения данных сейсморазведки и результатами гелиометрии для оценки проницаемости юрского комплекса в пределах выбранного участка.

Геофизический метод КМПВ (метод преломлённых волн) выявил ряд нарушений фундамента. Из многочисленных геосейсмических разрезов в двух из них удалось выявить I и II горизонты и разделяющие их пласты (рис. 2). Однако на этих профилях водоупор «Б» не всегда прослеживается; имеются участки водоупора, где преломляющая способность глин, т.е. их физические свойства, существенно меняются. При обработке временных разрезов эти, т.н. «разрывы сплошности», были сведены в единую систему зон, которые изображены на рисунке 1. Они ориентированы с юго-востока на северо-запад, длина колеблется от 1 км до 4 км. Они могут являться ослабленными зонами в глинистых водоупорах.

Газопроницаемость участка подтверждается данными гелиевой съёмки. Область высоких аномалий гелия в I горизонте зафиксирована в трёх скважинах – №№ А-25, А-14, А-19.

Особый интерес представляет положение пьезометрической поверхности минжульского и I водоносных горизонтов по состоянию на 24.09.1986 г. (рис. 1). Отметки уровней Iгоризонта по 6 парам скважин превышают пьезометрический уровень минжульского горизонта на 0,1÷0,2 м, что указывает на возможность перетекания из I в минжульский горизонт. Направление естественного потока минжульского горизонта существенно отличается от направления фильтрации I горизонта. Движение воды минжульского горизонта происходит в вытянутую с юго-востока на северо-запад депрессионную воронку длиной более 3 км. Уклоны потока к воронке равны 0,004, единичный расход q=0,088 м³/сут на 1 м, приток к депрессионной воронке с юго-запада составляет Q=B×I×KM=2250×0,004×22м²/сут=198м³/сут=2,29л/с. В пределах этой воронки находятся два тектонических нарушения (рис. 1). Линии тока I горизонта, в соответствии с гидроизопьезами, направлены с северо-запада на юго-восток и с юго-запада на северо-восток, пересекаясь под прямым углом. Линия пересечения северо-западного-юго-восточного простирания соответствует дрене – зоне разгрузки Iгоризонта и почти совпадает с протяжёнными тектоническими нарушениями, которые пересекают пятиугольник технологических скважин (рис. 1 и рис. 2). Приближенно оценим величину дренирования I водоносного горизонта в секторе линий тока, проходящих через скв. №№ Н-7 и Н-8 с одной стороны, и скв. №№ Н-11 и Н-9 с другой стороны, и верхней границе потока, проходящей через скв. № Н-10, и нижней границе потока, проходящей через скв. №№ Н-9 и Н-8. Длина линии тока, проходящей по оси выделенного фрагмента, равна l=400 м, градиент напора между верхней и нижней границей потока I=∆H/l=0,16/400=4∙10^-4, разность между верхней и нижней шириной потока В=В верхн.-В нижн.=700-200=500 м. Тогда, используя принятое значение проводимости I горизонта – KM=200 м²/сут, получаем разгрузку I горизонта в пределах технологических скважин, равную Q=B×I×KM=500×4∙10^-4×200=40м³/сут=0,46л/с. Если взять линию тока вдоль оси разгрузки между гидроизопьезами с а.о. 173,8 м и 173,6 м равной 2150 м, то общая величина разгрузки составит Q=40×2150/400=215м³/сут=2,49л/сут. Эта разгрузка вполне сопоставима с величиной притока слева к депрессионной воронке минжульского горизонта (Q=198 м³/сут). Таким образом, минжульский горизонт по ослабленной зоне может дренировать I горизонт. Оценим проницаемость ослабленной зоны, проходящей через участок технологических скважин (рис. 2). Расход вертикальной фильтрации принимаем равным рассчитанному выше: Q=40 м³/сут. Мощность разделяющего глинистого слоя M₀=13,4 м. Длина линии тока, соответствующая фрагменту участка фильтрации l=400 м, мощность ослабленной зоны принимаем равной m=50 м; разность напоров между горизонтами ∆h=0,24 м, тогда коэффициент фильтрации

Полученные при ОФР данные позволили оценить проницаемость разделяющего слоя с помощью математического моделирования. Решение обратной задачи было реализовано группой Б.М. Зильберштейна с использованием программы «KRAS» в 1994 году. Для этого использовались данные откачки из скв. № Н-7 с наблюдательными скв. №№ Н-8, Н-9, Н-10 и Н-11, а также данные откачки из скв. № Н-11 с наблюдательными скв. №№ Н-7, Н-8, Н-9 и Н-10. Моделирование однослойной схемы фильтрации минжульского горизонта положительных результатов не принесло. Была реализована трёхслойная схема – I горизонт, разделяющий пласт и минжульский горизонт. Рассматривалась серия вариантов с изменяющейся проницаемостью разделяющего горизонта в плане. Разбивка поля фильтрации на блоки в пределах опытных скважин составила 35 м × 70 м. Относительная сходимость результатов моделирования с данными по наблюдательным скв. №№ Н-7, Н-8, Н-9 была обнаружена при откачке из скв. № Н-11. Проницаемость разделяющего слоя в полосе размером 35 м – 250 м, ориентированной между скв. №№ Н-8 и Н-9, оказалась равной K₀=0,1 м/сут, а по обе стороны от линейного «окна» заданная проницаемость K₀=0,0001 м/сут. В процессе моделирования менялись плановые границы минжульского горизонта (до 16 км на юг) и была уменьшена его проводимость до KM=15 м²/сут.

Для уточнения проницаемости выявленной ослабленной зоны в разделяющих I и минжульский горизонты глинах была использована более современная программа геологической службы США “MODFLOW”. Геолого-гидрогеологические условия участка описаны выше. В геофильтрационной модели представлено два проницаемых горизонта – минжульский и I, разделенных слабопроницаемым слоем. Верхняя и нижняя границы модели задаются непроницаемыми.

Плановые границы модели принимаются по границе выклинивания минжульского горизонта и отнесены от центра опытного куста в северном направлении на 10 км, в южном – на 2 км, в восточном – на 14 км (рис. 3). На этих границах задавались граничные условия II-го рода (Q=0). В западном направлении и на небольшом участке на северо-востоке минжульский горизонт не выклинивается, а распространён на значительное расстояние.  На запад граница модели отнесена на 13 км, на северо-восток на 16 км. На этих границах принято граничное условие I рода – постоянный уровень.

Рисунок 3. Схема модели опытного куста (масштаб: 1:12500)

Абсолютные отметки уровня в горизонтах, заданные на модели, приняты по данным замера уровней в сентябре 1986 года.

Разбивка модели на блоки нерегулярная. Блоки имеют размеры от 9×9 до 500×500 м, размеры сетки 174×204 блоков. Сгущения блоков приурочены к участку расположения опытного куста – участку наибольшей деформации потока подземных вод.

Моделировались откачки для двух схем, когда центральными являлись Н-7 или Н-11 (рис. 4 и 5). Обратные задачи решались в нестационарной постановке.

По всем вариантам расчёта, в основном, изменялись параметры разделяющего водоносные горизонты слоя в пределах предполагаемых границ его нарушения. Ширина зоны нарушения принята равной 37 м.

Рисунок 4. Модельная схема распределения гидроизопьез на 5-е сутки откачки из скважины № Н-7.

Рисунок 5. Модельная схема распределения гидроизопьез на 5-е сутки откачки из скважины № Н-11.

Калибровка модели осуществлялась в основном, путём изменения параметров предполагаемого участка перетока через разделяющий водоносные горизонты водоупорный слой при неизменных режимах откачки и фильтрационных параметрах, рассчитанных по результатам опытных гидрогеологических работ.

Расчёт повторялся до достижения удовлетворительной сходимости модельных и фактических критериев согласования. Критериями согласования служило удовлетворительное совпадение рассчитанных значений уровня с фактическими абсолютными отметками уровней подземных вод по наблюдательным скважинам в процессе откачки.

Калибровка модели выполнялась при условии работы в качестве центральной скважины № Н-7. В результате решения были получены параметры минжульского горизонта и зоны нарушения в разделяющем горизонте при которых достигнута удовлетворительная сходимость модельных и фактических уровней по наблюдательным скважинам №№ Н-10 и Н-11 (рис. 6).

Анализ полученных решений показывает, что изменения уровней полученные на модели в целом соответствуют фактическим при значительном удалении наблюдательной скважины от зоны нарушения в разделяющем слое.

Таблица 2. Результаты моделирования.

Полученный результат вертикальной проницаемости ослабленной зоны шириной 37 м в разделяющих оба горизонта глинах К_ф=0,11 м/сут всего на порядок меньше проницаемости песков, но в 10000 раз больше проницаемости глин insitu.

Рисунок 6. Графики сходимости модельных и фактических уровней в наблюдательных скважинах во время откачки из скважины № Н-7.

Выводы

1. Пьезометрические поверхности I и минжульского горизонтов в естественных условиях свидетельствуют о наличии локального перетекания из I горизонта в минжульский горизонт.
2. Ориентация области локального перетекания подтверждается наличием тектонических нарушений (ослабленных зон) в глинах, выявленных геофизическими методами.
3. Оценочная величина проницаемости линейной ослабленной зоны в глинах характеризуется К_ф=0,15 м/сут при мощности зоны около 50 м.
4. Распределение в плане рассчитанных проводимостей минжульского горизонта при проведения серии ОФР указывает на наличие субвертикальной линейной проницаемой границы в разделяющих горизонты глинах той же ориентации, что и тектонические нарушения.
5. Результаты предварительного моделирования (программа KRAS) показали проницаемость линейного “окна”, равную К_ф=0,1 м/сут.
6. Применение программы “MODFLOW” позволило получить расчётную проницаемость ослабленной зоны в глинах шириной 37 м в плане, равную К_ф=0,11 м/сут.
7. Возможно высокую проницаемость локальных ослабленных зон в глинах следует учитывать при обосновании возможности захоронении промстоков.

Авторы

Манукьян В.А., Анненков А.А., Глинский М.Л., Святовец С.В. (ФГУГП “Гидроспецгеология”)