Основные виды и назначение гидрогеологических исследований

Гидрогеологические исследования в горно-складчатых районах имеют многоцелевое назначение: выявляются особенности тектони­ки района с определением характера раскрытости нарушений, оценивается тепловой потенциал (тепловая мощность) месторож­дения, устанавливаются основные продуктивные водоносные ком­плексы или зоны и их положение в плане и разрезе, качество подземных вод, масштабы и группа сложности месторождения и др. На основе съемок и геофизических исследований многие задачи решаются на качественном уровне. Однако косвенные методы дают возможность эффективно определять места заложения поисково-разведочных скважин, обоснованно выбирать их глубину. Опробование разведочных гидрогеологических скважин также име­ет свою специфику. Скважины опробуются обычно поинтервально сверху вниз, так как положение обводненных зон в разрезе даже предположительно неизвестно. При выявлении обводненных зон хорошие результаты дают термометрия (с помощью термокос), глубинное поинтервальное опробование, расходометрия, изотопные исследования воды и газа и др.

Имеет свои особенности комплекс гидрогеологических иссле­дований на месторождениях промышленных вод в межгорных -и предгорных впадинах, выполненных мощными толщами осадоч­ных отложений. На месторождениях этого типа роль косвенных методов снижается. Из косвенных методов наиболее широко ис­пользуются различные площадные геофизические исследования (электроразведка, сейсморазведка и др.). Задачей геофизических работ является выявление тектонических нарушений и установле­ние структурного плана (в частности, под акваториями), определе­ние необходимых проектных глубин скважин и мест их бурения в соответствии со структурным планом месторождений. Основными видами исследований являются традиционные гидрогеологические методы — бурение и опробование глубоких скважин. Опробование проводится под защитой колонны по способу снизу вверх с уста­новкой между интервалами разделительных цементных мостов. Большую роль играют каротажные геофизические исследования, позволяющие решать большинство геологических и гидрогеологи­ческих вопросов: расчленение разреза на водоносные комплексы и водоупоры, определение суммарных и эффективных мощностей, предварительная оценка водно-физических свойств вмещающих пород и минерализации, геотермического градиента и др. Основным же средством изучения водоносных комплексов служат опытные откачки, при которых получают необходимые исходные, данные ДЛЯ определения гидрогеологических параметров и установления качества воды.

На месторождениях глубоких подземных вод в артезианских бассейнах древних платформ и эпипалеозойских плит гидрогеологические исследования включают обычно бурение и опробование глубоких разведочных скважин с комплексом сопутствующих исследований. Площадные геофизические исследования проводятся в очень редких случаях — при изучении карбонатных водоносных комплексов.

В процессе бурения скважин выполняется обширный комплекс геофизических исследований и опробование вскрытых интервалов пластоиспытателями на трубах. Опробование водоносных комплек­сов или горизонтов осуществляется под защитой эксплуатационной колонны по способу снизу вверх с последовательным вскрытием горизонтов перфорацией и проведением пробных, опытных или опытно-эксплуатационных откачек. В связи с внедрением способа эксплуатации месторождений промышленных вод с поддержанием пластовых давлений или захоронением отработанных вод водонос­ные горизонты, предназначенные для закачки промстоков (отра­ботанных вод), опробуют также опытными нагнетаниями.

Перечисленные виды полевых изысканий выполняются непосред­ственно на месторождениях и направлены на их геолого-гидроге­ологическое изучение. Геологоразведочные работы сопровождаются лабораторными исследованиями. Они включают изучение водно-физических свойств водовмещающих пород (на образцах керна), химического и газового состава подземных вод, физических свойств, теплосодержания, технологических свойств. В ряде случаев выпол­няется комплекс исследований для изучения агрессивности воды и солеотложений в стволе и призабойной зоне скважины, а также для решения некоторых других вопросов.

Гидрогеологические исследования при поисково-разведочных работах

Комплекс поисково-разведочных работ на подземные воды в каждом случае определяется не только сложностью гидрогеоло­гических условий территории, но и степенью ее изученности, ко­торая оценивается с помощью анализа материалов всех предшест­вующих геологических, гидрогеологических и геофизических ис­следований.

Основными видами работ при изучении месторождений глубоких подземных вод являются буровые, опытно-фильтрационные, геофизи­ческие, гидрологические исследования, наблюдения за естественным и нарушенным режимом подземных вод, обследование действующих водозаборных сооружений, отбор проб и химические исследования воды, специальные виды исследований (гидрогеохимические, геотер­мические, изотопные и др.). Как указывалось выше, геолого-гидро­геологические и специальные съемки, играющие ведущую роль при поисках и разведке месторождений пресных, минеральных и тепло­энергетических вод, особенно в горно-складчатых регионах, для глубоких подземных промышленных вод такого значения не имеют, хотя материалы их обычно полностью используются для характерис­тики общих гидрогеологических условий района исследований.

Буровые работы обеспечивают основной объем информа­ции о месторождении и включают бурение поисковых, разведочных, разведочно-эксплуатационных, наблюдательных и при необходимо­сти нагнетательных скважин.

Поисковые скважины бурят на стадии поисков для изучения геологического разреза, выделения и опробования всех встреченных водоносных горизонтов с целью выявления перспективных в качестве источника минерального и теплоэнергетического сырья, а также минеральных вод для лечебных и бальнеотерапевтических целей. Учитывая, как правило, большие глубины залегания про­мышленных вод, поисковые скважины бурят при крайней необхо­димости, когда полностью отсутствуют данные для решения задач поисковой стадии.

Бурение разведочных скважин осуществляется с целью изуче­ния литологического состава, мощности, условий залегания, водо-обильности перспективных водоносных горизонтов, определения их коллекторских и фильтрационных свойств и качества подземных вод, граничных условий. Разведочные скважины бурят на стадии предварительной разведки на наиболее сложных месторождениях промышленных вод и на стадии детальной разведки.

Разведочно-эксплуатационные скважины бурят обычно на ста­дии детальной разведки с учетом проектной схемы водозабора. Бурение их согласовывается с заинтересованными организациями, а по своей конструкции и оборудованию они должны отвечать условиям эксплуатации с учетом проектируемого водоподъемного оборудования, агрессивных и коррозионных свойств воды. На мно­гих месторождениях минеральных, а иногда и термальных вод разведочно-эксплуатационные скважины могут буриться уже на стадии предварительной разведки. По окончании бурения они передаются эксплуатирующей организации.

Наблюдательные скважины сооружают для наблюдений за естественным и нарушенным режимом подземных вод, а при про­ведении опытно-фильтрационных работ используют для изучения развития депрессионной воронки, определения гидрогеологических параметров, степени подвижности контуров подземных вод, их качества (химический состав, содержание полезных компонентов, температура). При изучении глубоких горизонтов в связи с боль­шими материальными затратами число наблюдательных скважин ограничено либо они отсутствуют совсем.

Поскольку буровые работы требуют, как правило, наибольших затрат, бурение каждой из скважин должно быть нацелено на решение максимально возможного числа поставленных задач. Это требует серьезного внимания к проектированию бурения, т.е. к вопросам размещения скважин, выбору их оптимальных.Конструкций, способа бурения, технологии вскрытия продуктивных водоносных горизонтов и опробования скважин. Решение этих вопросов в каждом конкретном случае зависит от целевого назна­чения скважин, геолого-структурной обстановки и геолого-техни­ческих условий проходки скважин.

Схема размещения, число разведочных скважин и расстояния между ними определяются прежде всего типом месторождения промышленных вод и его основными геолого-структурными осо­бенностями. Площадная разведка оправдана либо при изучении пластовых месторождений широкого регионального распростране­ния, либо при изучении месторождений со сложной структурой, особенно при наличии большого количества различно ориентиро­ванных разрывных нарушений, роль которых требуется выяснить. При выборе оптимальных схем размещения скважин на исследуе­мой площади и определении необходимого их числа следует исхо­дить из следующих обязательных требований:

тщательного анализа геолого-гидрогеологических условий по данным всех предыдущих исследований;

использования опыта изучения месторождений, имеющих ана­логичные геолого-тектонические и гидрогеологические условия;

учета предполагаемой гидродинамической расчетной схемы и схемы водозабора.

При гидрогеологических исследованиях сейчас успешно исполь­зуются методы математического моделирования, которое на круп­ных месторождениях целесообразно применять уже на стадии предварительной разведки, основываясь на принципе последова­тельных приближений. На каждом этапе программируется и за­дается на машине сумма сведений, накопленных к данному мо­менту. В зависимости от степени сложности месторождения воз­можно решение одной-двух задач, что позволяет корректировать работы, в частности, выбирать наиболее рациональное размеще­ние на площади разведочных скважин.

Глубина скважин должна обеспечивать полное вскрытие пер­спективного водоносного горизонта (зоны), а диаметр и устьевое оборудование — возможность установки насосов для их опробова­ния, наблюдений за уровнем подземных вод, для самоизливаю­щихся скважин — за давлением, проведения геофизических и раз­личных глубинных исследований. При определении глубин и диа­метров скважин, а также при размещении их при разведке место­рождений промышленных вод особенно важно учитывать возмож­ность использования одной и той же скважины для различных целей, например, разведочных — в качестве разведочно-эксплуата-ционных и наблюдательных — в качестве разведочных и т. д. Конструкция разведочно-эксплуатационных скважин выбирается с учетом возможности их последующей эксплуатации с проектной производительностью, что особенно важно при разведке глубоко­залегающих горизонтов.

Способ, технология бурения и конструкции фильтров должны обеспечивать получение объективных характеристик водоносных горизонтов как по их водообильности и фильтрационным свойст­вам, так и по качеству воды. Прежде всего это правильный под­бор промывочных жидкостей, учитывающий предполагаемый хи­мический состав подземных вод, бурение чистой водой при устой­чивых коллекторах и невысоких напорах подземных вод, разглини-зация скважин при применении глинистых растворов.

Гидрогеологические исследования скважин вклю­чают наблюдения и поинтервальное опробование в процессе бу­рения, опытно-фильтрационные работы и глубинное опробование скважин.

Наблюдения в процессе проходки скважин без специальных остановок бурения для гидрогеологических опробований произво­дятся с целью выявления или уточнения положения в геологи­ческом разрезе, вскрываемом скважиной, горизонтов (зон) про­мышленной воды. При этом о водоносности пород судят по кос­венным показателям: составу проходимых пород, изменению объема и физических свойств промывочной жидкости и ее хими­ческого состава (фильтрата).

Параметры разреза получают (помимо исследования керна) по результатам наблюдений за скоростью бурения и характером работы бурильного агрегата. Кроме того, некоторые сведения лолучают путем изучения шлама, выносимого промывочной жид­костью. Важную роль играет наблюдение за балансом глинистого раствора. По изменению его объема судят о вскрытии водонос­ного горизонта и его водопроницаемости. О притоке воды в сква­жину свидетельствует изменение минерализации и состава промы­вочной жидкости (фильтрата). Следует иметь в виду, что увели­чение минерализации может произойти не только из-за притока сильноминерализованных вод из вскрываемых водоносных горизон­тов, но и вследствие выщелачивания промывочной жидкостью солей из пород. Поэтому при гидрогеологической интерпретации Данных об изменении химических свойств фильтрата глинистого раствора нужно учитывать результаты всех других наблюдений (режим бурения, баланс глинистого раствора, состав шлама).

Поинтервальное опробование скважин откачками (выпусками) в процессе проходки проводится с целью установления интервала, содержащего промышленные воды, а также получения сведений о всех других водоносных горизонтах. На месторождениях, где ожидаются высокие избыточные напоры, следует предусматривать Оборудование устья скважин противовыбросной арматурой — Превенторами.

Поинтервальное опробование может производиться как с обсадкой ствола скважины (с надежной изоляцией ранее опро­бованных интервалов), так и без обсадки путем наращивания опробуемого интервала, применения пластоиспытателей, а также изоляции опробуемых интервалов с помощью системы пакеров, если водоносные горизонты разобщены водоупорными слоями. В зависимости от типа месторождения, стадии его изучения, а также от глубины и категории скважин шаг таких поинтервальных опробований может быть различным и должен обеспечивать уве­ренную интерполяцию в пределах разреза. Для месторождений, приуроченных к крупным пластовым системам, поинтервальное опробование чаще всего не имеет смысла. Оно не исключается в тех случаях, когда разрез сложен породами, литологически мало отличающимися друг от друга, а гидрогеологическую роль каждого из пластов оценить по косвенным показателям не удается.

В процессе проходки скважин и при поинтервальных откачках большое внимание должно уделяться замеру уровней (напоров) воды в скважинах. При этом следует добиваться того, чтобы точные данные по напорам были получены для различных глу­бин, так как они необходимы для выявления гидродинамической структуры месторождения.

Опытно-фильтрационные работы являются основным видом исследований при поисках и разведке подземных вод. Задачей их является определение основных гидрогеологических параметров, граничных условий горизонтов, возможной производительности скважин. Методика опытно-фильтрационных работ определяется их целевым назначением, стадией исследований и гидрогеологи­ческими условиями конкретного месторождения. По способу производства они подразделяются на выпуски (для самоизливаю­щих скважин) и откачки, когда применяются водоподъемные сред­ства. По целевому назначению откачки (выпуски) подразделяются на пробные, опытные и опытно-эксплуатационные. Общими для всех видов откачек (выпусков) являются следующие требования. Устья самоизливающихся скважин оборудуют специальной фон­танной арматурой, применяемой на нефтяных скважинах, которая позволяет регулировать и замерять дебит скважин, и устьевые давления, проводить глубинные исследования. При проведении принудительных откачек должна быть обеспечена возможность замера уровня в скважинах, главным образом путем спуска в них пьезометрических трубок.

Обязательным условием для получения достоверных значений гидрогеологических параметров является соблюдение режима от­качки (выпуска), обеспечивающего применение существующих методов расчета. Наиболее надежный и доступный на практике метод — проведение откачек при постоянном дебите скважины. Если же обеспечить постоянство дебита самоизливающейся сква­жины невозможно (при небольшой производительности и избы­точном давлении), выпуск проводится с постоянным понижением, либо при свободном самоизливе, либо при постоянном остаточном давлении на устье.

При всех видах откачек (выпусков) на каждом из понижений, если их несколько, проводят: замеры дебита воды и газа, уровня воды (или давления), температуры воды, а при необходимости — атмосферного давления и температуры воздуха; отбор проб воды и газа на химический анализ. При выборе измерительной техники для проведения опытно-фильтрационных работ следует стремиться к использованию наиболее надежных и высокочувствительных приборов, предпочтительней с постоянной записью измеряемых параметров. Например, для замеров дебита — газорасходомеров, для замеров устьевых давлений — образцовых манометров такой точности и чувствительности, которая соответствует конкретным условиям; чувствительность приборов по меньшей мере должна в 2 — 3 раза превышать минимальную величину изменения показа­теля или параметра. Вообще вопрос оборудования глубоких сква­жин и измерительной техники исключительно важен при опробо­вании глубоких скважин, особенно при высоких газонасыщенности и температуре воды самоизливающихся скважин. В таких случаях возникают значительные трудности как при проведении опыта, так и при последующей интерпретации его результатов. Частично эта проблема решается применением глубинных манометров, с по­мощью которых замеряется давление непосредственно в исследуе­мом пласте или уж, во всяком случае, ниже зоны выделения растворенного газа в спонтанную фазу.

Частота всех видов наблюдений в процессе опытно-фильтра­ционных работ определяется их целевым назначением, общей продолжительностью откачки и задачей самих наблюдений.

Пробные откачки (выпуски) проводят преимущественно на стадии поисковых работ для предварительной оценки фильтрацион­ных свойств и качества воды отдельных водоносных горизонтов и трещинных зон и различных участков распространения изучае­мых вод с целью выбора наиболее перспективных для постановки разведочных работ. На стадиях предварительной и детальной разведки пробные откачки (выпуски) проводятся с целью опреде­ления возможной производительности скважин для планирования опытных работ.

Опытные откачки проводят на стадии предварительной и де­тальной разведки, их подразделяют на одиночные, кустовые и групповые. Задачей опытных откачек являются определение рас­четных гидрогеологических параметров и выявление закономер­ностей их изменения в пространстве, определение зависимости между дебитом скважин и понижением уровня воды, изучение химического и газового состава промышленных вод, температуры, ихизменения в зависимости от водоотбора, изучение агрессивных свойств вод и рассолов и процессов солеотложения. Режим и продолжительность опытных откачек, число понижений опреде­ляются целевым назначением, стадией разведки, характером водо­носного горизонта и сложностью гидрогеологических условий месторождения.

Длительность опытных откачек определяется на основании данных о горизонтах, полученных с помощью пробных откачек. В процессе работ ее можно корректировать в зависимости от характера изменения гидродинамических и физико-химических показателей, учитывая, что во многих случаях полная стабилиза­ция гидродинамического режима недостижима. Это касается прежде всего пластовых месторождений платформенных областей, для которых характерно также постоянство химического состава и минерализации воды в пределах горизонта на большой площади. Длительность опытных откачек здесь минимальная. Более длитель­ные откачки с несколькими ступенями проводятся при наличии предпосылок зависимости качества воды от дебита. В этом слу­чае должна быть выявлена связь качества воды с интенсивностью водоотбора, с тем чтобы учесть это при проектировании опытно-эксплуатационного выпуска. Кроме того, по результатам опытной откачки определяют оптимальный эксплуатационный дебит сква­жин с учетом их пескования, пульсирующего режима и явления термогазлифта, солеотложения и др.

Опытные кустовые откачки проводят с целью определения гидрогеологических параметров, степени подвижности гидрохими­ческих и геотермических границ, определения срезок уровня при оценке запасов гидравлическим методом.

Методика опытных кустовых откачек определяется в зависи­мости от основной задачи и гидрогеологических особенностей. Исходя из задачи определения гидрогеологических параметров, наблюдательные скважины должны располагаться в зоне квази­стационарного режима, а величина понижения уровня на конец откачки в наблюдательной скважине должна значительно пре­вышать точность замера уровня. Число наблюдательных скважин в значительной степени определяется глубиной залегания водонос­ного горизонта. По экономическим соображениям на месторож­дениях глубоких подземных вод наблюдательные скважины бурят в минимальном количестве и в то же время максимально исполь­зуют все пробуренные ранее скважины различного назначения. Это необходимо иметь в виду при завершении исследований сква­жин на любой стадии поисково-разведочных работ, предусматри­вая их консервацию до следующей стадии, а не ликвидацию, что часто имеет место.

При определении расстояния между наблюдательными и опыт­ными скважинами, а также продолжительности откачки необхо­димо стремиться к оптимальному варианту, когда с помощью кустовой откачки будет решено максимальное число задач в рас­чете на то, чтобы продолжительность откачки не превышала 20 — 30 сут.

В некоторых случаях для создания необходимой степени воз­мущения пласта, определения эксплуатационных возможностей месторождения (участка) опытные откачки проводят из группы скважин.

Опытно-эксплуатационные откачки (выпуски) проводят на ста­дии детальной разведки подавляющего большинства месторожде­ний минеральных вод, а на месторождениях промышленных вод — при весьма сложных гидрогеологических условиях. Основная за­дача их заключается в выявлении закономерностей изменения уровня (реже дебита) и качества промышленных вод, чаще всего при заданной величине водоотбора.

При разведке промышленных вод, приуроченных к многопла­стовым водонапорным системам, возникает вопрос оценки возмо­жностей совместной эксплуатации нескольких водоносных плас-Чов с различными фильтрационными свойствами, напорами и ка­чеством воды. Это связано с тем, что при работе скважины, вскрывающей несколько таких горизонтов, происходит переток по стволу скважины довольно длительное время, хотя перераспре­деление напоров в ней практически мгновенное. Специальными исследованиями (например, на месторождениях Западной Тур­кмении) установлено, что прогнозирование понижений возможно с помощью существующих решений, не учитывающих перетока по стволу скважины; в то же время при прогнозировании качества -воды игнорирование перетока может привести к существенным ошибкам.

В настоящее время существуют аналитические решения для такого прогноза в основном для двухслойной системы, пока не нашедшие применения на практике. Поэтому на данном этапе Наиболее целесообразный, а для многослойной системы единст-венно возможный путь решения вопроса о совместной эксплуата­ции таких горизонтов — это опытно-эксплуатационная откачка (выпуск) при условиях, близких к эксплуатационным.

— Методика опытно-эксплуатационной откачки обосновывается с помощью анализа результатов всех проведенных на предыдущих стадиях работ. Несколько режимов водоотбора целесообразны в том случае, когда имеются предпосылки (или данные): 1) огра­ниченности естественных ресурсов подземных вод горизонта и соответственно возможности их оценки по результатам такой от­качки; 2) зависимости качества вод от интенсивности водоотбора. При этом следует учитывать реальную возможность установления опытным путем закономерностей изменения качества подземных вод.

Продолжительность опытно-эксплуатационных откачек (выпусков) определяется их задачами и сложностью гидрогеологических и гидрохимических условий месторождения. Для выявления условий совместной эксплуатации многопластовых водоносных комплексов длительность их зависит от соотношения напоров, водопроводимости и дебита скважины, определяющих скорость перетоков по стволу, которую ориентировочно можно рассчитать по данным раздельного опробования пластов. Эмпирическим показателем является достижение усредненного химического состава воды и стабилизация его.

Правильность с методических позиций проведения всех видов опытно-фильтрационных работ и их интерпретации существенно зависит от своевременности и тщательности обработки получен­ных данных. Все результаты уже в процессе опыта нужно под­вергать графической обработке: строить графики изменения во времени уровней (или понижений), дебита воды, газа, темпера­туры, содержания характерных компонентов, что позволяет судить о степени стабилизации режима откачки, зависимости различных показателей друг от друга, сезонных и других внешних факторах. Соответственно при необходимости может быть откорректирована дальнейшая методика проведения опыта. Кроме того, строят гид­рогеологические профили и карты, на которых отражают резуль­таты наблюдений за развивающейся депрессией и продвижением гидрохимических контуров в плане и разрезе.

Исследования химического состава и физических свойств под­земных вод обязательны при поисках и разведке, поскольку хими­ческие и физические характеристики прежде всего определяют принадлежность их к соответствующему типу промышленных вод. Основными задачами гидрохимических исследований являются: 1) оценка качества подземных вод с точки зрения использова­ния их в качестве промышленных; 2) получение гидрохимических данных, необходимых для выявления источников и механизмов формирования подземных вод, прогноза их качества при эксплуа­тации, в том числе с учетом обратной закачки отработанных вод. Тем самым определяется необходимость таких исследований, ко­торые обеспечат надежную информацию о закономерностях изме­нения качества подземных вод по площади и в разрезе. При этом помимо основного состава существенное внимание уделяется сос­таву свободных и растворенных газов, а также содержанию спе­цифических компонентов.

В зависимости от конкретной задачи химические анализы воды по степени детальности (типу определяемых компонентов) и точности подразделяются на оперативные (отдельные свойства или характерные компоненты), краткие (в том числе полевые), сокращенные и полные. Промышленные воды кроме обычных под­вергаются специальным технологическим исследованиям, на осно­вании которых оценивают возможность извлечения из них полез­ных компонентов и допустимые нижние пределы концентраций этих компонентов.

Изучение режима подземных вод исследуемого месторождения очень важно для установления его гидрогеологических условий, источников и путей восполнения ресурсов промышленных подзем­ных вод. Наблюдения за режимом должны составлять важную часть исследований в общем комплексе геологоразведочных работ.

Основной гидрогеологической задачей, на решение которой должны быть направлены режимные наблюдения, являются опре­деления характера происходящих при разведке изменений рельефа пьезометрических поверхностей, распределения по площади и в вертикальном разрезе вод различной минерализации и состава, степени взаимодействия гидрогеологических выработок. Для этого необходимо определить дебиты, динамические или статические уровни (избыточных давлений), замерить температуры на изливе, произвести отбор проб воды, определить на месте отдельные ха­рактерные компоненты ионно-солевого или газового состава воды. Наблюдения должны осуществляться в фиксированные сроки с частотой, обеспечивающей достоверную интерпретацию получен­ных закономерностей изменения тех или иных показателей в за­висимости от поставленных задач.

Режимные наблюдения особенно важны в тех случаях, когда при оценке эксплуатационных запасов используются эмпирические зависимости, полученные при опытно-эксплуатационных откачках. В этом случае информация о естественных колебаниях уровня обязательна для достоверной интерпретации полученных в про­цессе опыта данных. Этим предопределяется необходимость орга­низации режимных наблюдений в начале поисково-разведочных работ, с тем чтобы цикл их охватывал все сезонные колебания уровня и химического состава подземных вод.