Оценка эксплуатационных запасов подземных промышленных вод

ОЦЕНКА ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ЗАПАСОВ ПОДЗЕМНЫХ ПРОМЫШЛЕННЫХ ВОД

Основные виды ресурсов и запасов месторождений

В настоящее время о ресурсах и запасах подземных вод сложились достаточно четкие представления, хотя вопрос о классификации их остается в значительной степени дискуссионным. Из Последних наиболее подробных классификаций запасов подземных Вод следует отметить классификацию Н. М. Фролова и Л. С. Язвина, в которой запасы вод подразделяются по всем возможным признакам.

Хотя принципы классификации являются едиными для всех типов подземных вод, но для вод глубоких горизонтов имеется некоторая специфика, связанная с особенностями их формирования. Дело в том, что если для пресных подземных вод основное значение имеет формирование самой массы воды, то для глубоких вод помимо массы воды столь же существенное значение имеет накопление полезных компонентов в промышленных водах, источник температуры (теплового потенциала) в теплоэнергетических водах, формирование газовой составляющей и бальнеологически активных элементов в минеральных водах. Процессы, приводящие к обогащению подземных вод полезными компонентами или их нагреву, обычно имеют геологическую продолжительность. Эту особенность глубоких подземных вод существующие классификации не учитывают или учитывают в недостаточной степени. Большинство классификаций базируется на генетической основе, и при всех терминологических различиях по смыслу они достаточно близки друг другу.

Запасы подземных вод как полезного ископаемого принято подразделять на естественные запасы и естественные ресурсы. В связи с народнохозяйственным использованием подземных вод было введено понятие «эксплуатационные запасы». Интенсивная эксплуатация подземных вод выявила необходимость введения понятий об искусственных запасах и привлекаемых ресурсах. Кратко рассмотрим содержание перечисленных понятий, причем рассмотрение начнем с эксплуатационных запасов, так как другие виды запасов и ресурсов служат источниками обеспеченности эксплуатационных запасов, а количественная оценка последних является конечной целью геологоразведочных работ.

Эксплуатационные запасы подземных вод представляют собой количество вод, которое может быть получено на месторождении с помощью рациональных в технико-экономическом отношении водозаборных сооружений при заданном режиме эксплуатации и качестве воды, удовлетворяющем требованиям целевого использования ее в народном хозяйстве в течение расчетного срока водо-потребления. Эксплуатационные запасы выражаются в объемных расходах воды (м³/сут). Кроме того, для промышленных вод подсчитываются запасы полезных компонентов (в тоннах за расчетный срок эксплуатации), а для теплоэнергетических вод -- массовые расходы пароводяной смеси (т/сут) и теплоэнергетическая мощность (ГДж, Мвт, т). Если промышленные подземные воды обладают высоким теплоэнергетическим потенциалом, подсчитывается и то, и другое.

Эксплуатационные запасы на месторождениях различного типа обеспечиваются естественными запасами и ресурсами, искусственными запасами и привлекаемыми ресурсами.

Естественные запасы следует рассматривать как массу подземных вод, заключенных в поровом пространстве продуктивных водоносных горизонтов внутри контура месторождения (участка), которая может быть высвобождена за счет гравитационных сил. Полная масса воды в поровом пространстве продуктивных горизонтов представляет собой геологические запасы, т. е. массу воды с учетом ее полезных свойств, сформированную за геологическое время. Геологические запасы включают и так называемые упругие запасы, высвобождающиеся из перового пространства при частичной или полной сработке пластового давления. В случае снижения уровня ниже кровли продуктивного комплекса может быть извлечена гравитационная масса воды, определяемая коэффициентом водоотдачи и объемом осушенных водовмещающих пород. Эта масса воды также является частью геологических запасов и может быть названа емкостными запасами. Следовательно, естественные запасы, участвующие в формировании эксплуатационных запасов Подземных вод, складываются из упругих и в некоторых случаях емкостных запасов.

Следует отметить, что если естественные запасы пресных вод (масса воды и горизонта) могут возобновляться, то естественные запасы минеральных, теплоэнергетических и промышленных вод в артезианских бассейнах, как правило, не возобновляются. Естественные ресурсы являются источником питания водоносного горизонта в ненарушенных эксплуатацией условиях и выражаются в расходах воды (л/с, м³/сут). Естественные ресурсы являются основным источником обеспеченности эксплуатационных запасов месторождений минеральных и теплоэнергетических вод III группы. Для теплоэнергетических вод следует учитывать естественные ресурсы тепла (тепловой поток), участвующие в формировании теплового потенциала месторождения.

Искусственные запасы возникают при разработке продуктивных горизонтов на месторождениях промышленных вод с обратной закачкой, использованных (отработанных) вод. Их следует понимать как дополнительное количество воды (полезных компонентов), Которое может быть получено из продуктивного горизонта, в сравнении с вариантом разработки без применения обратной закачки.

Привлекаемые ресурсы -- это дополнительное питание (водное) продуктивного горизонта в нарушенных эксплуатацией условиях. К привлекаемым ресурсам следует относить перетекание из смежных горизонтов, отжатие воды из глин, активизацию притока глубинной составляющей при снижении уровня, усиление инфильт-рационного питания и др.

Соотношение между эксплуатационными запасами и источниками их обеспеченности может быть представлено следующим выражением:

где Q_Э -- эксплуатационные запасы; Q_e и Q_np -- естественные и привлекаемые ресурсы; V_е и V_H -- естественные и искусственные

запасы; a, b, с, -- коэффициенты использования соответственна естественных запасов и ресурсов, искусственных запасов; t -- срок эксплуатации месторождения.

В заключение отметим, что методы количественной оценки перечисленных источников обеспеченности эксплуатационных запасов минеральных, термальных и промышленных вод пока разработаны в недостаточной степени и в этом направлении проводятся интенсивные исследования.

Эксплуатационные запасы промышленных вод, их классификация и категоризация

Из всех ранее перечисленных видов запасов и ресурсов официально подсчитываются и учитываются эксплуатационные запасы всех типов подземных вод. Утвержденные ГКЗ РФ или ТКЗ эксплуатационные запасы являются основой для разработки схем развития отраслей народного хозяйства, добывающих и потребляющих подземные воды; для составления годовых, пятилетних и долгосрочных государственных планов экономического и социального развития РФ, проектирования водозаборных сооружений и предприятий, использующих подземные воды (курорты, бальнеолечебницы, геоТЭС, тепличные комбинаты, заводы по извлечению полезных компонентов и др.).

Эксплуатационные запасы оцениваются по результатам разведочных гидрогеологических работ и на основании наблюдений при эксплуатации действующих водозаборов подземных вод.

Помимо эксплуатационных запасов в некоторых случаях оцениваются прогнозные ресурсы, которые отражают потенциальные эксплуатационные возможности артезианских бассейнов, гидрогеологических массивов, отдельных регионов. Они подсчитываются, как правило, на основе имеющейся геолого-гидрогеологической, геофизической и другой информации с использованием специальных методических приемов и отражаются на специальных мелкомасштабных картах совместно с эксплуатационными запасами. В государственном балансе они не учитываются, но используются при долгосрочном планировании поисково-разведочных работ на минеральные, термальные и промышленные воды, разработке генеральных схем их использования в народном хозяйстве, обосновании постановлений директивных органов.

Согласно действующей классификации [23] эксплуатационные запасы подразделяются по степени изученности и народнохозяйственному значению. По степени изученности эксплуатационные запасы подразделяются на разведенные и предварительно оцененные.

Разведанные запасы делятся на три категории А, В и С, в зависимости от степени изученности геологического строения и гидрогеологических условий месторождения, надежности определения расчетных гидрогеологических параметров и достоверности прогноза качества воды на расчетный срок эксплуатации, а также с учетом обоснованности источников восполнения. Запасы категорий А, В и С₁ служат основанием для проектирования водозаборных сооружений и предприятий по их использованию и для выделения капитальных вложений на строительство. Предварительно оцененные запасы относятся к категории С₂ и подсчитываются для оценки перспектив месторождения по весьма ограниченным фактическим данным, они подлежат утверждению одновременно с запасами категорий А, В и C₁, но при проектировании не учитываются.

По народнохозяйственному значению эксплуатационные запасы подразделяются на две группы -- балансовые и забалансовые. Балансовые запасы могут использоваться в настоящее время или в ближайшей перспективе при существующей либо осваиваемой промышленностью прогрессивной технике и технологии добычи и переработки воды с обеспечением необходимых мер в соответствии с требованиями по использованию и охране недр и окружающей природной среды. Забалансовые запасы не могут быть вовле-чены в сферу рентабельного народнохозяйственного использования по техническим, технологическим или экономическим причинам. Однако в перспективе должна существовать принципиальная возможность перевода их в балансовые. Балансовые и забалансовые запасы подсчитываются и учитываются раздельно. Для забалансовых запасов указывается причина их отнесения к забалан-совым. Учитываются эти запасы при доказанности возможности их последующего использования, т. е. перевода в балансовые.

По степени изученности месторождений решается вопрос о Подготовленности их к промышленному освоению. Количественным выражением степени изученности служит соотношение запасов Категорий А, В и Ci. Подготовленными к промышленному освоению ритаются месторождения, если утвержденные балансовые запасы подземных вод с учетом группы сложности месторождения имеют следующее соотношение запасов категорий А, В и C₁ (табл. 27).

Методы оценки эксплуатационных запасов месторождений промышленных вод

Эксплуатационные запасы подземных вод в указанном выше понимании определяются путем расчета водозаборов, т. е. суммарного дебита группы соответствующим образом расположенных скважин, каждая из которых имеет определенный дебит и понижение динамического уровня воды в течение расчетного срока эксплуатации при сохранении качества воды, удовлетворяющего кондиционным требованиям. При расчете водозаборов подземных вод необходимо: а) обосновать расчетную гидрогеологическую схему; б) определить размеры эксплуатационного участка, т. е. участка водозабора; в) обосновать рациональную схему расположения скважин в пределах эксплуатационного участка; г) обосновать режим работы (дебитов и понижений динамических уровней) скважин водозабора в течение расчетного срока эксплуатации. Схематизация природных гидрогеологических условий месторождения подземных промышленных вод при выполнении аналитических гидродинамических расчетов (включая расчеты на ЭЦВМ), а также аналогового гидрогеологического моделирования имеет весьма важное значение для правильной достоверной оценки эксплуатационных запасов. Такая схематизация предусматривает обоснование границ промышленной водоносной зоны по простиранию, а также в разрезе месторождения. Для выполнения аналитических гидродинамических расчетов природные гидрогеологические условия должны приводиться к сравнительно простым расчетным схемам; использование аналогового моделирования позволяет в некоторых случаях более точно учесть природную обстановку за счет усложнения расчетной гидрогеологической схемы. Для аналитических гидрогеологических расчетов различные плановые границы в пласте схематизируются в виде системы прямолинейных или круговых контуров, на которых задается либо постоянный напор (контуры постоянного напора), либо постоянный расход (контуры постоянного расхода), для глубоких водоносных горизонтов часто равный нулю. При неоднородном строении пласта (горизонта или комплекса) границы, разделяющие зоны с различными фильтрационными свойствами, также приводятся к контурам прямолинейной или круговой формы.

Таблица 27

Балансовые запасы подземных вод в зависимости от группы сложности месторождения

Группа	Категория запасов, %
	А + В	В том числе А не менее	С1
1	80	40	20
2	80	20	20
3	70	--	30

В расчетных схемах для оценки эксплуатационных запасов подземных вод задаются начальные и граничные условия, а также параметры пласта. Начальные условия -- это условия распределения пьезометрических напоров (пластовых давлений) перед началом или изменением режима эксплуатации водоносного горизонта или комплекса, т. е. условия, отвечающие состоянию установившегося (или близкого к установившемуся) движения подземных вод. Граничные условия характеризуют условия питания (и стока) на внутренних и внешних границах потока в плане и разрезе месторождения. Условия на внутренних границах (водозабор) задаются в виде функций дебита Q или напора Я во времени, например, Q=const; H=const; Q=f(t). Условия на внешних границах задаются для аналитических расчетов обычно в виде следующих схем граничных условий в плане (рис. 23).



Рис. 23. Схематизация гидрогеологических условий для оценки эксплуатационных запасов промышленных подземных вод:

1- неограниченный пласт; 2 - полуограниченным пласт; 3 - пласт-квадрат, 4 - пласт-клин; 5 -пласт-полоса; 6 - пласт-полуполоса; 7- пласт-прямоугольник; в - пласт-круг; .-расстояние междх во-доупорами; водозабор: а - реальный, б -- отображенный

1. Если водоносный горизонт имеет в плане настолько большие размеры, что влияние эксплуатации водозабора в течение расчетного срока на его границах практически не проявляется, то такой пласт принимается бесконечным в плане. Эта схема получила название неограниченного пласта.

2. Если пласт ограничен в плане одним прямолинейным контуром, то такую схему называют полуограниченным пластом. В этом случае возможны два типа условий: а) на границе пласта задается постоянный напор; б) на границе пласта задается постоянный расход, который в частном случае для непроницаемой границы равен нулю.

3. Пласт ограничен в плане с двух соседних сторон прямолинейными контурами, пересекающимися под прямым углом (пласт-квадрат). В этих условиях возможны три типа расчетных схем: а) на обоих контурах напор постоянный H=const; б) на обоих контурах задан постоянный pacxoд Q=const (в частном случае Q=0); в) на одном контуре имеет место постоянный расход (в частном случае Q=0), на другом -- постоянный напор.

4. Пласт ограничен двумя прямолинейными параллельными кон-турами (пласт-полоса); на двух параллельных границах пласта принимаются три условия, указанные выше для пласта-квадрата.

5. Пласт ограничен с трех сторон перпендикулярными границами (пласт-полуполоса); на границах задаются те же условия (Q=const, Q=0 или H=const) в любом их сочетании.

6. Пласт ограничен со всех сторон четырьмя перпендикулярными прямолинейными границами, на каждой из которых задается то или иное из указанных условий.

7. Пласт ограничен со всех сторон контуром, который может быть с достаточной для практических расчетов точностью приведен к круговому по принципу равенства площадей (пласт-круг); на границах кругового контура могут задаваться условия постоянного напора (Я=сопз]) или постоянного расхода (Q=const-Q=0).

Следует отметить, что все перечисленные схемы пласта имели место при оценке запасов подземных промышленных вод в различных районах РФ. Наиболее сложные расчетные гидрогеологические схемы принимались для месторождений, характеризующихся сложной тектоникой и наличием разрывных нарушений. При этом иногда в пределах одного эксплуатационного участка выделялись блоки, по своей конфигурации отвечавшие большинству из перечисленных схем.

Граничные условия в разрезе месторождений для наиболее часто встречающихся случаев в практике разведки и оценки запасов глубоких подземных вод схематизируются в виде напорного водоносного пласта с непроницаемой кровлей и подошвой. В этих случаях обычно используются гидродинамические решений для плоской плановой фильтрации подземных вод. Однако встречаются случаи, когда эксплуатируемый напорный водоносный пласт отделяется от выше- и нижезалегающих водоносных горизонтов слабыми водоупорами, не исключающими фильтрации при снижении пластового давления (пьезометрического напора) в эксплуатируемом. В этих случаях рассматривается и при необходимости учитывается гидравлическая взаимосвязь водоносных горизонтов (перетекание). Иногда водоупорная кровля или подошва на отдельных участках месторождения в зоне влияния водозабора отсутствует, в связи с чем возможна прямая гидравлическая связь между соседними в разрезе водоносными горизонтами. При обосновании расчетной гидрогеологической схемы необходимо также учитывать разгрузку подземных вод в виде источников (или самоизлив пластовых вод из ранее пробуренных скважин).

Схематизация условий разработки месторождений при подсчете эксплуатационных запасов заключается в том, что скважины расчетного водозабора располагаются в виде удобных для выполнения гидродинамических или гидравлических расчетов правильных геометрических систем. К таким системам относится расположение скважин в виде одного или нескольких параллельных рядов (в частном случае -- прямоугольная сетка) скважин; в виде двух линейных рядов скважин, образующих между собой некоторый угол (в частном случае -- прямой); в виде одной кольцевой батареи скважин или нескольких кольцевых концентрических батарей; в виде равномерной треугольной сетки скважин, которая может быть приведена к системе кольцевых концентрических батарей. В качестве расчетной может быть принята также схема любого геометрически неправильного расположения скважин на эксплуатационном участке.

При схематизации гидрогеологических условий необходимо учитывать изменение параметров пласта (мощности, коэффициента фильтрации, водопроводимости) на площади эксплуатационного участка и месторождения в целом. Если амплитуда изменения этих параметров невелика или в этом изменении нет четко прослеживаемых закономерностей, то для аналитических расчетов могут использоваться средневзвешенные по площади участка параметры и пласт в этом случае принимается условно однородным.

Размеры эксплуатационного участка (и, следовательно, площади проектного водозабора) определяются его геолого-тектоническим строением и гидрогеологическими условиями. При сравнительно Однородных строении и фильтрационных свойствах водоносного горизонта и спокойном залегании его в пределах (и за пределами) эксплуатационного участка размеры площади водозабора зависят равным образом от параметров промышленной водоносной зоны, в свою очередь, определяющих дебит отдельных скважин (с учетом их взаимодействия), рациональную схему расположения скважин и их число. Показатели эксплуатации устанавливаются путем последовательных вариантных гидродинамических расчетов, сопровождаемых геолого-экономическим анализом, который преследует цель выбора наиболее экономически эффективной системы разработки, обеспечивающей добычу максимального количества подземных вод при- сохранении ее себестоимости на уровне допустимoй цены.

Если эксплуатационный участок расположен в пределах антиклинальной структуры с крутопадающими крыльями, то площадь расположения скважин дополнительно определяется допустимой по экономическим соображениям глубиной бурения. Именно такими соображениями ограничиваются размеры водозаборов промышленных и термальных вод, располагаемых в пределах брахиантиклинальных структур в Западной Туркмении и Азербайджанской ССР.

При оценке эксплуатационных запасов глубоких подземных вод необходимо учитывать дебиты скважин и понижения в них динамических уровней от поверхности. И дебиты, и понижения уровней должны быть максимальными для гидрогеологических условий оцениваемого горизонта. Это обеспечивает, с одной стороны, наиболее полную оценку эксплуатационных запасов, с другой -- наилучшие технико-экономические показатели эксплуатации водозабора. Однако практически в большинстве случаев расчетные дебиты скважин и понижения в них уровней от поверхности для промышленных и термальных вод приходится ограничивать мощностью насосного оборудования, выпускаемого отечественной промышленностью. Балансовые эксплуатационные запасы должны обеспечивать минимальную рентабельную производительность промышленного предприятия. Другими словами, расчетный дебит подземных вод с учетом концентрации полезных извлекаемых компонентов или количества тепла должен обеспечивать получение того минимума товарной продукции, при котором экономически целесообразно строительство современного индустриального предприятия.

Оценка эксплуатационных запасов подземных вод производится обычно тремя методами: балансовым, гидравлическим и гидродинамическим.

Балансовый метод основан на анализе приходных и расходных статей баланса подземных вод. Для промышленных и термальных подземных вод платформенных областей, характеризующихся большой глубиной залегания, весьма малыми реальными скоростями фильтрации в естественных условиях, часто не выходящими на поверхность и имеющими обычно широкое региональное распространение, оценка эксплуатационных запасов этим методом неприемлема. Однако для минеральных, термальных подземных вод горно-складчатых областей и парогидротерм областей современного вулканизма балансовые расчеты имеют часто весьма важное значение для оценки общих ресурсов таких вод и перспектив их использования на ранних стадиях гидрогеологических изысканий. , Гидравлический метод основан на изучении связи дебита и понижения динамического уровня при установившемся притоке подземных вод к одиночным и взаимодействующим скважинам. Оценка эксплуатационных запасов в этом случае производится путем гидравлических расчетов на основе экстраполяции полученных опытных данных. Этот метод широко используется при оценке эксплуатационных запасов в сложных гидрогеологических условиях, не поддающихся простейшей схематизации для обоснованных гидродинамических расчетов (наличие водопроводящих тектонических нарушений, неравномерная трещиноватость и закарстованность пород, недостаточно точно установленные источники питания и закономерности распространения водоносного горизонта и т. д.). Гидравлический метод, требующий проведения мощных откачек с дебитами скважин, близкими к эксплуатационным, может быть рекомендован в редких случаях для месторождений промышленных вод на участках сложного тектонического строения и при разведке подземных вод в неравномерно трещиноватых и закарстованных породах. В то же время этот метод является основным при оценке запасов минеральных и термальных подземных вод в горно-складчатых областях и в районах сложного геолого-тектонического строения.

Гидродинамический метод широко используется для оценки эксплуатационных запасов всех типов глубоких подземных вод. Метод основан на прогнозных расчетах изменения дебитов и уровней с учетом параметров водоносных пород, определяемых по данным опытных гидрогеологических работ в период разведки месторождений. Возможность и целесообразность использования этого метода определяется особенностями условий залегания и распространения подземных вод глубоких горизонтов артезианских бассейнов платформенного типа, предгорных и межгорных впадин. Как известно, при откачках глубоких подземных вод в значительной мере проявляются упругие свойства вод и пород, что приводит к длительному неустановившемуся притоку подземных вод к скважинам. Интенсивность и характер изменения уровней и дебитов зависят от ряда факторов, основными из которых являются: а) параметры водоносной зоны (их водопроводимость и пьезопроводность) и изменение этих параметров на площади эксплуатационного участка и за его пределами в зоне влияния водозабора; б) граничные условия месторождения и эксплуатационного участка, определяемые наличием областей создания напора, выклиниванием или резким изменением мощности или литолого-фациальных свойств водовмещающих пород; в) суммарный дебит водозабора (и отдельных скважин) и изменение этого дебита в процессе эксплуатации.

Для глубоких подземных вод суммарный дебит водозабора должен быть постоянным (при постоянных концентрациях в воде полезных компонентов) или ступенчато изменяющимся во времени (при изменении в процессе эксплуатации месторождения концентраций полезных компонентов) в связи с необходимостью обеспечения стабильной производительности промышленного предприятия.

Исходя из изложенного, оценка эксплуатационных запасов глубоких подземных вод на участке проектируемого водозабора производится следующим образом:

по материалам бурения и опытного гидрогеологического опробования разведочных скважин оцениваются расчетные гидрогеологические параметры водоносных пород на участке водозабора и за его пределами;

на основе анализа гидрогеологических условий месторождения в зоне возможного влияния водозабора схематизируются гидрогеологические условия и выявляются расчетные граничные условия;

путем последовательных гидродинамических и технико-экономических расчетов по вариантам определяются кондиционные требования к подземным водам и условиям их эксплуатации;

с учетом кондиционных требований подсчитывается возможный суммарный дебит водозабора применительно к наиболее рациональной для данных условий схеме водозабора; суммарный дебит квалифицируется как эксплуатационные запасы подземных вод;

путем гидродинамических или гидравлических расчетов с учетом гидрогеохимической обстановки устанавливаются постоянство или закономерности изменения состава подземных вод, концентрации в них полезных компонентов, или количество бальнеологически активных элементов.

В частных случаях, когда природная обстановка месторождения не позволяет обоснованно подсчитать запасы аналитическими методами, прибегают к моделированию процесса разработки месторождения и оценке эксплуатационных запасов с использованием аналоговых машин. Кроме того, аналитические расчеты эксплуатационных запасов целесообразно выполнять с использованием электронных цифровых вычислительных машин. Использование ЭЦВМ позволяет значительно расширить диапазон рассматриваемых вариантов разработки месторождений и решить задачу по одновременному гидродинамическому, гидрогеохимическому и технико-экономическому обоснованию эксплуатационных запасов глубоких подземных вод.

Гидродинамические методы подсчета эксплуатационных запасов подземных вод основаны на решении основного дифференциального уравнения упругой фильтрации жидкости в пористой среде. Решая это уравнение при различных начальных и граничных условиях, получают расчетные формулы для определения де-битов и уровней, которые используются для оценки эксплуатационных запасов подземных вод. Математически и физически гидродинамические методы являются точными; практически их точность в достаточной мере условна вследствие приведения природной гидрогеологической обстановки к имеющим решение расчетным схемам, а также в связи с неточностью используемых в расчетах исходных параметров.

Основное уравнение движения подземных вод -- линейное, что позволяет при его решении использовать метод суперпозиции (наложения течений), который заключается в том, что сумма решений этого уравнения также является его решением. Применительно к движению воды это означает, что понижение давления (напора) в любой точке пласта от действия нескольких водозаборов равно сумме понижений в этой точке от действия каждого из них в отдельности.

Другим достоинством гидродинамических методов является то обстоятельство, что, будучи одновременно и балансовыми, они позволяют прогнозировать дебиты и уровни с большей степенью экстраполяции по сравнению с достигнутыми при проведении опытных гидрогеологических работ в скважинах. Возможность экстраполяции представляется весьма важной, так как для глубоких подземных вод понижение уровней до расчетных проектных отметок при проведении опытных работ в скважинах нерентабельно, а с точки зрения точности оценки запасов излишне.

Решение задачи по оценке эксплуатационных запасов подземных вод обычно сводится к определению дебита скважины или водозабора при заданном предельном понижении уровня или к расчету понижения уровня в отдельных скважинах, а для системы скважин -- к расчету наибольшего и наименьшего понижения уровня в отдельных скважинах водозабора, выбранных по условиям их расположения. При этом принимается, что начальные и граничные условия, а также параметры пласта известны, строение его однородно, а скважины совершенны.

Используя метод суперпозиции и формулы (4) -- (6), можно провести расчет водозаборов для случая любого произвольного расположения скважин. В практике геологоразведочных работ на промышленные воды встречаются следующие схемы расположения эксплуатационных скважин водозаборов: произвольное (неупорядоченное), линейный ряд; кольцевая батарея; треугольная сетка (концентрические кольцевые батареи); прямоугольная сетка (площадная система). Приведение системы расположения скважин к правильным геометрическим схемам позволяет упростить гидродинамические расчеты, что особенно важно при большом числе эксплуатационных скважин на участках водозаборов.

Выше отмечалось, что в практике оценки эксплуатационных запасов глубоких подземных вод возможность использования схемы неограниченного пласта встречается довольно редко. Чаще лри оценке запасов приходится учитывать внешние границы водоносного горизонта, схематизируемые в зависимости от их конфигурации, как это указано выше.

Неограниченный пласт. Одиночная скважина с постоянным дебитом. В этом случае расчет производят по формуле (10). Величина r в этом случае принимается равной рас-стоянию от оси скважины до точки, в которой определяется по-нижение S. При определении понижения уровня в скважине эта величина равна радиусу скважины.

Одиночная скважина с переменным дебитом. Если в пласте работает одиночная скважина с переменным дебитом и изменение ее дебита происходит ступенчато, то понижение ;В ней выразится уравнением

(44)

где Q, -- дебит скважины после i-го изменения, включая пуск;

a_i = (Q_i - Q_i-1)/Q₁; (45)

(46)

здесь t_р -- полное время работы скважины от пуска до момента, на который определяется понижение; t_i -- время работы скважины до i-го изменения дебита, включая пуск. Отсюда t₁ = О и a_i = 1. Если наибольшее значение r²/4at(t_p -- t_i)<0, то формулу

(44) с учетом формул (45) и (46) можно записать следующим образом:



-- приведенное время работы скважины с дебитом Q₁.

Взаимодействующие скважины. Если работает одновременно несколько скважин с изменяющимся дебитом и разным во времени началом работы, то понижение уровня в любой точке пласта, отстоящей от первой, второй, третьей, ..., n-й скважины соответственно на расстоянии r₁, r₂, r₃,..., r_n, определяется по уравнению

где S -- понижение уровня в точке от действия всех скважин; Sj -- часть этого понижения, вызванная работой j-й скважины. Величина Sj определяется для каждой скважины по формулам (44), (47) и (48).

Практический интерес представляет случай работы всех скважин с постоянным дебитом Q₁, Q₂, Q₃, ..., Q_n. В этом случае, наиболее часто встречающемся при подсчетах запасов подземных промышленных вод, удобнее привести формулу к суммарному дебиту Q_cyM водозабора на расчетный момент времени. Тогда понижение в любой точке пласта рассчитывается по формуле

 (49)

где a_j = Q_j/Q_cyM t_j -- время пуска j-й скважины; t_Р1 -- расчетное время от момента пуска первой скважины. Если --

(r_j²)/[4а(t_р1 -- t_j)]<0,1, то вместо формулы (49) можно получить

где t_пр -- приведенное время работы водозабора [t_np = (t_Pl -- t₁)^м1 (t_Р, -- t₂)^a2...(t_Pl -- t_n)^an]; r_пр -- приведенное расстояние до расчетной точки (r_np=r₁^a1 r₂^a2...r_n^an). Если скважины пущены одновременно, то t_ap = t, а г_пр определяется, как указано выше. Если же при этом одинаковы и дебиты скважин, то t_np = t; r_np =ⁿ\/r₁ *r₂*r₃ ...r_п.

При определении понижения в какой-либо скважине в приведенных формулах расстояние до нее заменяется радиусом скважины г_с. При этом учитывается несовершенство скважин по степени и характеру вскрытия пласта.

Для линейного ряда скважин при расположении их на разных расстояниях одна от другой расчеты можно производить так, как и для группы скважин в бесконечном пласте. Однако эти расчеты можно существенно упростить, используя метод, предложенный ф. М. Бочевером в 1961 г. В соответствии с полученными им решениями при нечетном числе скважин (N = 2n+l) в линейном ряду гидравлические сопротивления и, следовательно, понижения уровней определяются по формулам:

при расчетах по центральной скважине ряда

 (50)

при расчетах по крайней скважине ряда

(51)

В формулах (50) и (51)

где

l -- половина расстояния между равномерно расположенными скважинами; v = n для случая (50);v = 2n -- для случая (51). Значения функции F(B, v) приведены в табл. 28 (v=l, 2, 3, 4, 5, 6, 10, 20).

При соблюдении условий B<0,l/n² для центральной скважины и В<0,03/n² для крайней скважины ряда формулы (50) и (51) заменяются с достаточной точностью логарифмической:

Таблица 28

Значения F (B,v)

в	1	2	3	4	5	6	10	20
0,05	4,74	8,08	10,7	12,7	14,3	15,6	18,8	20,7
0,01 0,02	4,04 3,35	6,72 5,38	8,64 6,69	10,0 7,55	11,1 8,13	11,9 8,47	13,4 8,97	13,9 9,03
0,04	2,68	4,09	4,87	5,28	5,5	5,61	5,7	5,7
0,1	1,82	2,53	2,79	2,87	2,87	2,9	2,9	2,9
0,2	1,22	1,53	1,6	1,61	1,61	1,61	1,61	1,61
0,4	0,702	0,789	0,85	0,851	0,851	0,851	0,851	0,851
1	0,219	0,223	0,223	0,223	0,223	0,223	0,223	0,223
2 4	0,0489 0,00378	0,0489 0,00378	0,0489 0,00378	0,0489 0,00378	0,0489 0,00378	0,0489 0,00378	0,0489 0,00378	0,0489 0,00378

Таблица 29

Функции фо и ф₅ для расчета линейного ряда скважин

N	Фs	Фs	N	ф0	Фs
1	1	1,26	22	8,61	16,10
2 3 4 5 6 7 8	1,32 1,67 2,03 2,39 2,75 3,11 3,48	1,89 2,56 3,25 3,96 4,65 5,37 6,08	23 24 25 26 27 28 29	9,00 4,42 9,75 10,12 10,50 10,90 11,23	16,80 17,50 18,25 18,95 19,70 20,40 21,15
9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21	3,24 4,21 4,57 4,96 5,31 5,68 6,06 6,43 6,78 7,16 7,52 7,39 8,25	6,81 7,51 8,82 8,96 9,69 10,40 11,12 11,90 12,60 13,25 14,00 14,70 15,40	30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42	11,61 12,00 12,35 12,71 13,10 13,60 13,84 14,22 14,60 15,00 15,35 15,71 16,10	21,85 22,55 23,25 24,00 24,70 25,45 26,15 26,85 27,60 28,30 29,00 29,70 30,45

где р.5 определяется из выражения p_s = 2l (r_c /2l)^l/N ф_S. Для центральной скважины ряда Ф_s = Ф₀ = (n!) ^2/N , а для крайней скважины ряда SPs = ф_к = (2я!)^1/N. Значение p_s представляет собой среднее геометрическое расстояние N скважин от центральной (или крайней) скважины ряда, равное радиусу большого колодца, имеющего такой же дебит, как у всех скважин, и такое же понижение уровня, как у крайней (или центральной) скважины. Значение функций ф₀ и ф₅ приводятся в табл. 29. Схема линейной системы скважин в неограниченном пласте приведена на рис. 24.



Рис. 24. Схема линейной системно мы скважин в неограниченном пласте:

n -- число скважин; l -- расстояние между скважинами в ряду; А -- точка определения гидравлического сопротивления R; r_n -- расстояние от центра линейного ряда до точки А

Рис. 25. Схема кольцевой батареи скважин в неограниченном пласте:

r_f -- радиус скважины; r_к -- радиус кольцевой батареи скважин

Для случая расположения скважин в виде кольцевой батареи решение задачи дано В. Н. Щелкачевым. Расчетная схема для этого случая приведена на рис. 25. При постоянном во времени дебите скважин (и, следовательно, суммарном дебите водозабора) понижение уровня в скважине определяется по формуле

где R_кб = f(ln f_о, r); при этом f₀ = at/r²; r=r_K/r_c.

Представляет интерес полученное Г. Ц. Тумаркиным решение для кольцевой батареи пущенных одновременно n скважин, расположенных в углах вписанного в окружность радиуса г₀ равностороннего многоугольника. В этом случае:

(52)

Упростив формулу (52), получим

(53)

При аt/r'_с>1,5 погрешность при использовании формулы (53), связанная с заменой бесконечного ряда лишь выписанными его членами, составит не более 0,5%. Если fо = at/r_c > 3, что обычно Соблюдается при расчетах водозаборов на длительный срок их эксплуатации, можно ограничиться двумя первыми членами ряда $ формуле (53), что обеспечит расчеты с точностью 5% и выше:

(54)

Равномерная треугольная сетка является одним из частных случаев площадных систем при упорядоченном расположении скважин. В этом случае все скважины оказываются на окружностях кольцевых батарей (на рис. 26), радиусы которых r_i в зависимости от расстояния между скважинами l приведены в табл. 30.

Расчеты понижений уровней в скважинах проводятся по следующим формулам:

(55)

Для точки на окружности рассматриваемой батареи скважин:

(56)

Для точки, являющейся внутренней по отношению к рассматриваемым батареям скважин r₍₎<r_i,, уравнение будет иметь вид:

(57)

Таблица 30

Радиусы кольцевых батарей и число скважин

Номер колец	Радиус батареи	Число скважин на кольце	Общее число скважин
1	l	6	6
2	l\/З	6	12
3	l\/ 4	6	18
4	l\/ 7	12	30
6	l\/9	6	36
5	l\/12	6	42
8	l\/ 13	12	54
7	l\/ 16	6	60



Рис. 26. Схема концентрических кольцевых батарей скважин

Для точки, являющейся внешней по отношению к рассматриваемым батареям скважин, т. е. для точки за пределами водозабора:

(58)

В формулах (55) -- (58) а, -- отношение дебита скважин i-и батареи Q_i к суммарному дебиту водозабора Q_cyM; R_n -- полное гидравлическое сопротивление от действия всех кольцевых батарей скважин; ZR_внутр -- суммарное гидравлическое сопротивление от действия кольцевых батарей, являющихся внешними по отношению к рассматриваемой точке пласта; ?Я_ВНешн -- гидравлическое сопротивление от действия концентрических кольцевых батарей скважин, являющихся внутренними по отношению к рассматриваемой точке пласта; г₀ -- расстояние от центра системы скважин до точки, в которой определяется понижение уровня.

Для точки (скважины) в центре водозабора

Для точки вне водозабора

Для точки внутри водозабора

Прямоугольная сетка скважин (рис. 27) предполагает равномерное геометрически правильное распределение их в пределах водозабора; расчетные решения для такой системы скважин получены Ф. М. Бочевером.

Рис. 27. Схема прямоугольной сетки скважин.

n -- число скважин; т -- число рядов скважин, L - расстояние между рядами скважин; l - расстояние между скважинами в ряду; А -- точка определения гидравлического сопротивления R; r_n - расстояние от центра линейного ряда до точки А

Удобный метод расчета крупных водозаборов, разработанный Ф. М. Бочевером, -- метод обобщенных систем взаимо-действующих скважин заключается в том, что реальная система скважин заменяется обобщенной системой источников -- стоков определенной геометрической формы с дебитом, равномерно распределенным по всей обобщенной системе. Удобство применения метода обобщенных систем заключается в том, что гидравлическое сопротивление системы в целом R_o6 остается постоянным, а гидравлическое сопротивление скважины R_скв меняется в зависимости от числа скважин и схемы их расположения. Это позволяет при необходимости рассмотреть много вариантов организации водозабора, что особенно важно при большом числе скважин.

Следует отметить, что подсчет эксплуатационных запасов подземных минеральных, термальных и промышленных вод требует обязательного учета числа скважин и их расположения; часто геолого-структурные и гидрогеологические условия участков водозаборов глубоких подземных вод не позволяют использовать определенную геометрическую схему расположения скважин, а сравнительно небольшое их число заставляет рассчитывать дебиты и понижения уровней для каждой скважины. Поэтому в практике гидрогеологических расчетов при оценке запасов глубоких подземных вод по результатам геологоразведочных работ чаще используются точные гидродинамические методы. Метод обобщенных систем скважин целесообразно использовать на стадии региональной оценки прогнозных эксплуатационных запасов, а также при выборе схемы расположения большого числа скважин. Критерием выбора рациональной схемы расположения скважин будет минимальное значение R_скв при заданных числе и суммарном дебите скважин или максимальный дебит скважин при допустимом R_CKB и их числе.

Расчеты водозаборов в ограниченных пластах осуществляются с использованием метода зеркальных отображений, который заключается в том, что влияние на работу скважины или водозабора границ пласта аппроксимируется влиянием зеркально отображенных от этих границ скважины или водозабора. Если граница непроницаемая, то отображенный водозабор должен иметь тот же знак, что и реальный. В том случае если граница пласта представляет собой контур постоянного напора, то отображенная скважина или водозабор берутся со знаком, противоположным реальному. Другими словами, действие непроницаемой границы рассматривается как работа скважины (или водозабора) в условиях взаимодействия с реальной, имеющей такой же дебит и отстоящей от этой реальной скважины на удвоенное расстояние (по нормали к границе). Аналогично предыдущему действие границы с контуром постоянного напора рассматривается как действие нагнетательной скважины, работающей с тем же дебитом, что и реальная эксплуатационная, и отстоящей от нее на удвоенное расстояние до границы.

Наличие отображенных скважин или водозаборов усложняет гидродинамические расчеты главным образом в отношении их объема; содержание этих расчетов аналогично выполняемым для водозаборов в неограниченных водоносных горизонтах.

Основные показатели качества Подземных промышленных вод и их обоснование

Основные показатели качества вод включают данные о минерализации подземных вод, о содержании в этих водах макро- и микрокомпонентов, а также о составе растворенного газа. В общем случае химический состав подземных вод характеризуется сведениями о содержании следующих компонентов: NH₄, Li, Na, К, Cs, Mg, Ca, Sr, Fe, Al, Mn, B, Cl, Br, I, SO₄, HCO₃, CO₃, NO₂, N0₃₎ SiO₂ (H₄SiO₄), а для углекислых вод, азотных терм и парогидро-терм вулканических районов -- также F, As, Sb. При отборе проб воды на анализ могут быть зарегистрированы: температура подземных вод (в интервале водоносного горизонта и на самоизливе), рН, цвет, запах, прозрачность воды, количество и вид осадка в бутылке. Естественно, что в каждом конкретном районе с учетом специфики гидрогеохимической обстановки и цели исследований по результатам анализов могут быть получены ограниченные сведения о макро- и микрокомпонентах, но обязательно должно быть предусмотрено получение сведений о микрокомпонентах, необходимых для обоснования типов и классов развитых подземных вод, а также являющихся поисковым критерием на промышленные подземные воды (Na, Mg, Ca, Cl, SO₄, HCO₃). Кроме того, должны быть получены сведения о микрокомпонентах, представляющих первоочередной промышленный интерес (Li, Rb, Cs, Sr, B, Br, I).

При сборе и обработке материалов особое внимание уделяется представительности анализов подземных вод. Некачественные гидрогеохимические данные могут быть обусловлены различными причинами; неудовлетворительным опробованием пластов, несоблюдением правил хранения и большой длительностью хранения проб, а также погрешностями выполнения анализов. При неудовлетворительном опробовании скважин в подземную воду может попасть примесь бурового раствора. Основной состав подземных вод при этом изменяется незначительно (обычно в сторону уменьшения общей минерализации, повышения сульфатов и гидрокарбонатов), но вследствие влияния сорбции на глинистых коллоидных частицах могут резко меняться концентрации некоторых компонентов (например, цезия, рубидия и в меньшей степени стронция и бора). Примесь бурового раствора в пластовых водах сравнительно невысокой минерализации может сильно изменить и их основной состав.

Пробы, отобранные на устье самоизливающихся скважин, даже при сравнительно длительном периоде излива могут также характеризоваться пониженными концентрациями летучих и легкосорбируемых компонентов (йод, бор, цезий, калий).

При длительном хранении проб в ряде случаев отмечается вы-падение солей, что особенно характерно для глубоких высокоми-нерализованных вод, а в открытых пробах часто происходят окис-лительные процессы и выпадение в осадок гидроксидов железа, Редкие щелочи, стронций и бор сравнительно слабо сорбируются гидроксидами железа и хлористым натрием; стронций не может поглощаться карбонатами.

Простейшим приемом проверки качества химических анализов являются: сопоставление суммы миллимолей на литр катионов и анионов (при раздельном определении натрия и калия); проверка величины минерализации рассолов по их плотности, содержанию хлора, сопоставление аналитической суммы растворенных веществ и экспериментальной величины сухого остатка.

Для отбраковки непредставительных данных прежде всего не-обходимо проанализировать условия отбора пробы: техническое состояние скважин, изоляцию опробуемого интервала от соседних, произошла ли смена бурового раствора пластовой водой, способ (на устье или глубинным пробоотборником) и условия (после прокачки или в неработающей скважине) отбора проб. При наличии нескольких достоверных анализов для одного и того же пласта берутся средние значения гидрохимических показателей. Если значения какого-либо параметра резко отличаются от большинства других значений, то возможность исключения их при оценке средних значений определяют с помощью статистических критериев.

При выборе расчетных значений минерализации, концентраций Полезных компонентов в водах следует прежде всего учитывать закономерности изменения их в данном районе (на участке) по площади и с глубиной, для выявления которых наиболее часто используется: способ построения графиков связи (например, графики изменения показателей, характеризующих химический состав подземных вод, с глубиной в конкретных скважинах или на участках с однородными гидрогеохимическими условиями). Широко используются корреляционные зависимости содержания микрокомпонентов от концентрации макрокомпонентов и общей минерализации. Примером может служить четкая, прямая зависимость содержания брома и стронция от минерализации, связь брома, лития, калия, стронция с кальцием, лития, брома, рубидия и калия -- с магнием, рубидия и цезия -- с калием.

Региональная оценка и картографирование Месторождений подземных промышленных вод

Целью региональной оценки прогнозных ресурсов и эксплуатационных запасов подземных вод является определение того их количества, которое может быть добыто в пределах месторождения рациональными в технико-экономическом отношении водозаборами, расположенными в расчете на получение максимального суммарного дебита при условии одновременной работы водозаборов в течение расчетного срока эксплуатации и при качестве воды, удовлетворяющем требованиям извлечения полезной продукции. Таким образом, региональная оценка эксплуатационных запасов и прог-гнозных ресурсов подземных вод преследует цель выявления того их количества, добыча и использование которого экономически целесообразны с учетом современного уровня развития техники и технологии.