Особенности и недостатки оценки эксплуатационных запасов пресных подземных вод на территории Западной Сибири Тагильцев С.Н., Тагильцев В.С., Лукьянов А.Е.

---

От автора:             Данный текст представлен в виде доклада на Международной научно-практической конференции «Питьевые подземные воды. Изучение, использование и информационные технологии», Московская обл., п. Зеленый, 18-22 апреля 2011 г.             Проблема изучения гидрогеологических условий Западно-Сибирского артезианского бассейна неоднократно затрагивалась на научных конференциях и совещаниях по подземным водам. Ситуация в регионе является, с одной стороны, парадоксальной, а с другой стороны, к сожалению, типичной для нашей страны. На протяжении более чем двадцати лет при подсчете запасов подземных вод здесь использовалась неправильная схематизация гидрогеологических условий, важнейшие гидрогеологические параметры по большинству водозаборов определялись неверно, использовались нерациональные схемы сооружения эксплуатационных и наблюдательных скважин.             Практика выполнения ошибочных расчетов закрепилась на уровне контролирующих государственных структур. При выполнении гидрогеологических работ и проведении государственной экспертизы подсчета запасов подземных вод на первом месте стоят частные коммерческие интересы внештатных экспертов, препятствующие объективному научному рассмотрению материалов опытных работ.             Внедрение новой системы расчетов, учитывающей реальные природные условия Западно-Сибирского артезианского бассейна, происходит чрезвычайно медленно. Научные статьи, посвященные данной проблеме, не принимаются к рассмотрению Департаментом по недропользованию и территориальными отделениями ФГУ «ГКЗ» и, как правило, привлекают внимание лишь узкого круга квалифицированных специалистов-гидрогеологов.             НПГ "Тектоника". Подсчет запасов подземных вод.             Лукьянов А.Е.             НПГ "Тектоника"

---

Питьевое водоснабжение большинства крупных городов и населенных пунктов Западной Сибири осуществляется за счет подземных вод. История массового освоения ресурсов подземных вод связана с развитием нефтегазодобывающей промышленности региона в 70-80-ых годах прошлого века. Основная часть подземных водозаборов эксплуатируется более двух-трех десятков лет. Питьевые водозаборы крупных городов отбирают по несколько десятков тысяч кубометров в сутки, оцененные запасы составляют обычно более 100 тыс. м³/сут.

Как правило, для хозяйственно–питьевого водоснабжения используется песчаный эоцен – олигоценовый напорный горизонт, залегающий на глубине 100–200 м. Высота напора над кровлей горизонта составляет несколько десятков метров, уровни подземных вод, чаще всего, устанавливаются на глубине от 2 до 14 м, а в пределах крупных речных долин могут находиться выше земной поверхности. Пресные подземные воды продуктивного эоцен – олигоценового горизонта используются также для систем поддержания пластового давления нефтяных месторождений.

Изучение геолого–гидрогеологических условий пресных водоносных горизонтов верхнего гидрогеологического этажа Западно–Сибирского артезианского бассейна, в подавляющем большинстве случаев, связано с оценкой и переоценкой запасов подземных вод по действующим водозаборам. Значительный срок эксплуатации водозаборных сооружений и данные, полученные по ряду месторождений в период разведки, обеспечивают достаточно высокую степень изученности территории. Анализ отчетных материалов по оценке запасов показывает, что основные взгляды специалистов на условия и свойства продуктивного эоцен – олигоценового водоносного горизонта претерпевали значительные изменения за более чем двадцатилетний период наблюдений и изучения (табл. 1, 2, 3).

Таблица 1. Изменение представлений о гидрогеологических условиях атлымского водоносного горизонта в районе г. Пыть-Ях.

Таблица 2. Изменение представлений о гидрогеологических условиях атлымского водоносного горизонта в районе г. Лангепас.

Таблица 3. Изменение представлений о гидрогеологических условиях эоцен-олигоценового водоносного горизонта в районе г. Муравленко.

В период разведки запасов эоцен – олигоценового горизонта на крупнейших месторождениях пресных подземных вод в 80-90-ые годы в качестве основной расчетной модели принималась гидродинамическая схема безграничного однородного изолированного пласта. При этом уже тогда авторы отчетов отмечали наличие гидравлической связи между продуктивным горизонтом, залегающим на глубине более 100 м, и верхней обводненной частью разреза. Несмотря на очевидные предпосылки к применению схемы пласта с перетеканием, в подавляющем большинстве случаев на этапе разведки месторождений применялась схема безграничного изолированного пласта.

Основной чертой системы расчетов с применением схемы безграничного изолированного пласта являлись резко завышенные радиусы депрессионных воронок, составлявшие на конец 25-летнего срока эксплуатации водозаборов 100 км и более. Сработка уровней по водозаборам, расположенным на расстоянии 20 – 50 км нередко должна была составлять 10 м и более. Фактически, все крупные городские водозаборы должны были взаимодействовать между собой. В зону формирования запасов питьевых месторождений попадало множество опасных объектов: нефтяных и газовых месторождений, трубопроводов, промышленных предприятий.

Неправильная схематизация гидрогеологических условий на стадии разведки месторождений приводила к существенным ошибкам в аналитических расчетах, в том числе при определении параметров пласта. Как следствие, ключевые параметры – коэффициент водопроводимости и коэффициент пьезопроводности оказались существенно завышены по большинству водозаборов Западной Сибири. Коэффициент водопроводимости на стадии разведки, чаще всего, определяли в диапазоне от 1000 до 3000 м²/сут, а коэффициент пьезопроводности – (1-5)*10⁶ м²/сут. Современные расчеты показывают, что водопроводимость продуктивного водоносного горизонта была завышена в 2 – 3 раза, а коэффициент пьезопроводности был завышен на порядок [2-4].

Последующий опыт эксплуатации водозаборных сооружений показал резкое несоответствие расчетной модели изолированного пласта реальной обстановке по всем месторождениям пресных подземных вод Западной Сибири. Фактические радиусы депрессионных воронок по большинству действующих подземных водозаборов составляют первые километры (до 5-7 км). Сеть наблюдательных скважин, подготовленная на некоторых месторождениях с учетом схемы изолированного безграничного пласта, оказалась заброшенной, т.к. скважины, пробуренные на расстоянии 5-10 км от водозабора, оказались за пределами депрессионных воронок. Взаимное влияние между крупными городскими водозаборами не фиксируется.

На сегодняшний день совершенно ясно, что при эксплуатации подземных водозаборов, каптирующих водоносную толщу осадочных пород верхнего гидрогеологического этажа, практически всегда реализуется схема безграничного пласта с перетеканием. Запасы месторождений подземных вод формируются за счет привлечения дополнительного питания вследствие перетекания из вышележащих горизонтов и из поверхностных источников. Ввиду хорошей взаимосвязи продуктивного горизонта с водонасыщенными отложениями четвертичного комплекса и, как следствие, с многочисленными поверхностными источниками в виде рек, озер и болот, напор на верхней границе водоносной толщи может быть принят как постоянный.

Реализация схемы пласта с перетеканием из горизонта с постоянным напором подтверждается целым рядом однозначных признаков:

1. Все подземные водозаборы работают в стационарном режиме;

2. При обработке опытных откачек на графиках временного прослеживания обычно отмечается выраженный этап стабилизации уровней;

3. Подземные воды продуктивных горизонтов имеют характерный химический облик и содержат типичные «болотные» компоненты, концентрация которых падает вниз по разрезу;

4. Режимные наблюдения за колебаниями уровней в продуктивном горизонте и перекрывающей толще четвертичных отложений показывает их полную идентичность, что свидетельствует о тесной гидравлической взаимосвязи.

Реализация принципиально иной гидродинамической схемы при эксплуатации артезианских водозаборов Западной Сибири предопределяет изменение системы аналитических расчетов при оценке запасов подземных вод. Достоверность схематизации гидрогеологических условий предопределяет правильность геофильтрационных расчетов. Несоответствие фильтрационной модели реальным природным условиям влечет за собой значительные погрешности вычислений [6, 8]. Несмотря на то, что большинство специалистов признает очевидный факт реализации схемы пласта с перетеканием, многие авторы при проведении работ по переоценке запасов месторождений подземных вод в Западной Сибири используют старые значения гидрогеологических параметров, рассчитанных в период разведки, что представляется не верным.

Применение решения Хантуша при обработке данных кустовых откачек требует внесения поправок при расчете коэффициента водопроводимости, в зависимости от степени удаленности наблюдательных скважин от центральной (возмущающей):

T = 0,183*Q / C_пe^r/B, (1)

где C_п - уклон расчетной прямой в точке перегиба;
e^r/B - поправка для наблюдательных скважин, удаленных на расстояние r > 0,1*B.

Сам расчет должен выполняться по участку временного графика, предшествующему стабилизации, с выделением «точек перегиба», в соответствие с известной методикой [5]. Применение зависимостей, соответствующих действующей схеме пласта с перетеканием, позволяет получить реальные значения коэффициента водопроводимости в 2–3 раза отличающиеся от завышенных, полученных в период разведки месторождений на основании схемы изолированного безграничного пласта.

Несмотря на достоверность и общую известность «новой» системы расчетов, при переоценке запасов подземных вод в Западной Сибири продолжают применяться неоправданно высокие значения коэффициента водопроводимости. Выполнение расчетов с применением недостоверных значений параметра Т (м²/сут) приводит и к завышению параметра перетекания В (м). В результате, очень часто в отчетах по оценке и переоценке запасов подземных вод фигурируют значения параметра перетекания В, составляющие 5000, 10000 или более м (см. табл. 1, 2). Такие значения представляются маловероятными и свидетельствуют о значительных ошибках в расчетах. Наиболее вероятный диапазон значений параметра перетекания В для песчаных пластов составляет от 100 до 1000 м [8].

Параметр перетекания В является основным показателем граничных условий пласта. Применение ошибочных значений параметра перетекания В = 5000 – 10000 м при расчете водозаборов влечет за собой ошибки в определении радиусов депрессионных воронок. Традиционный подход, используемый при расчете размеров зон формирования запасов подземных водозаборов в ХМАО и ЯНАО, опирается на уравнение Дюпюи. В качестве радиуса депрессии принимается R_П = 1,12*В.

Следует отметить, что, во-первых, применение данного уравнения возможно лишь при реализации жесткого условия r/B < 0,1, которое в большинстве случаев не выполняется для групповых водозаборов. Во-вторых, в соответствие с уравнением Дюпюи, радиус питания R_П = 1,12*В является условной расчетной величиной и не имеет физического смысла. Расчетная модель Дюпюи соответствует круглому острову, со всех сторон окруженному водой. Расчетная величина R_П принимается как радиус этого острова, т.е. радиус питающего контура.

В реальных природных условиях радиус влияния откачки R_ВЛ существенно превышает условную расчетную величину радиуса питания R_П. Известно, что для схемы безграничного изолированного пласта соотношение R_ВЛ/R_П = 2,33 является постоянной величиной, т.е. радиус депрессионной воронки в 2,33 раза превышает радиус условного контура питания. При реализации схемы пласта с перетеканием данное соотношение может существенно меняться в зависимости от величины фильтрационных свойств и производительности водозаборного сооружения. В среднем величина радиуса влияния для пластов с перетеканием принимается равной R_ВЛ = 5В, т.е. в 4,5 раза больше радиуса условного контура питания R_П = 1,12В.

Соответственно, если принимать R_ВЛ = 5В, то при неоправданно высоких значениях параметра перетекания В = 5000 – 10000 м радиусы депрессионных воронок от работы водозаборов будут составлять от 25 до 50 км, что не соответствует фактическим данным. Однако, применение уравнения Дюпюи позволяет снизить указанные ошибки. Фактически, в этом случае принимается соотношение R_П = R_ВЛ, которое не соответствует базовым теоретическим представлениям динамики подземных вод. Однако, оно позволяет нивелировать ошибки в расчетах и получать радиусы влияния, близкие к фактическим R_П = 1,12*В = 5,6 – 11,2 км при резко завышенных значения параметра перетекания В = 5000 – 10000 м.

Традиционно, на стадии разведки крупнейших месторождений пресных подземных вод Западной Сибири продуктивный эоцен – олигоценовый водоносный горизонт рассматривался как однородный. На сегодняшний день, результаты собственных опытных работ на водозаборах ХМАО и ЯНАО, а также анализ и переинтерпретация данных опытных откачек периода разведки месторождений, показывают, что основные гидрогеологические характеристики продуктивного эоцен – олигоценового горизонта обладают значительной изменчивостью как в региональном отношении, так и в границах отдельных водозаборных участков, площадь которых не превышает 2 км².

Собственные исследования показывают, что значения коэффициента водопроводимости продуктивного эоцен – олигоценового горизонта по ряду водозаборов ХМАО и ЯНАО варьируют в пределах от 200 до 1200 м²/сут. Величина параметра перетекания В изменяется от 200 до 900 м (табл. 4). В пределах локального участка питьевого водозабора ВОС-8000 г. Лангепас (двухрядный водозабор протяженностью 300 м) коэффициент водопроводимости изменяется от 400 до 1200 м²/сут по данным опытных откачек из разных скважин. Параметр перетекания В изменяется в пределах от 100 до 500 м (табл. 5).

Таблица 4. Гидрогеологические параметры продуктивного эоцен – олигоценового горизонта на водозаборных участках Западной Сибири.

Таблица 5. Вариации значений гидрогеологических параметров водоносного горизонта по данным опытных откачек на участке водозабора ВОС-8000, г.Лангепас.

Таким образом, фильтрационные свойства эоцен – олигоценового водоносного горизонта даже в пределах локальных участков подземных водозаборов могут отличаться более чем в 2 раза. Продуктивный горизонт является неоднородным в плане, что накладывает существенные ограничения на методику обработки результатов опытно–фильтрационных работ.

В условиях реализации схемы пласта с перетеканием при наличии плановой неоднородности нельзя применять методы площадного прослеживания. В виду возможного возникновения дополнительных погрешностей следует с осторожностью использовать данные по восстановлению уровней и методы эталонной кривой. Применение указанных методов при обработке данных по водозабору ВОС-8000 г. Лангепас показало значительное завышение коэффициента водопроводимости, близкое к значениям, полученным на стадии детальной разведки месторождения. Это отчасти объясняет ошибки, допущенные при определении расчетных параметров в 80-ых годах.

При определении гидрогеологических параметров продуктивного горизонта основное внимание должно уделяться обработке графиков временного прослеживания снижения уровней. Необходимо рассматривать данные нескольких опытных откачек по разным участкам водозабора и определять средневзвешенные характеристики эксплуатируемого горизонта. Наиболее достоверные значения параметров можно получить путем расчета водозабора по схеме «большого колодца» на основании преобразованного уравнения Хантуша, опираясь на расчетное понижение по «большому колодцу» (S_СТ), достигнутое при стационарном режиме работы:

S_cт = Q/2пT * K₀ (r/В), (2)[8].

Преимущество данного метода связано с тем, что в процессе длительной работы водозабора в умеренно неоднородном пласте можно получить средние расчетные параметры водопроводимости и перетекания. Можно считать, что с течением времени пласт начинает работать в стационарном режиме как однородный при некоторых средних значениях параметров Т и В.

Некоторая сложность метода заключается в том, что параметры Т и В являются взаимосвязанными. Извлечение правильных значений основных действующих параметров из уравнения (2) выполняется путем решения серии прямых и обратных тестовых задач с использованием комплекса данных по обработке опытных откачек. Применение расчетов по схеме «большого колодца» в условиях неоднородного в плане пласта позволяет избежать значительных ошибок в определении ключевых гидрогеологических параметров, допущенных на стадии разведки по большинству месторождений пресных подземных вод Западной Сибири.

Следует отметить, что параметр перетекания В обладает большей устойчивостью, т.к. связан логарифмической зависимостью, существенно снижающей погрешность расчетов. Средние значения параметра перетекания В, полученные при обработке данных опытно–фильтрационных работ, могут использоваться в уравнении (2) для более точного вычисления коэффициента водопроводимости.

Сложность методов обработки результатов опытных работ, неправильная схематизация гидрогеологических условий и ошибочное применение основных расчетных зависимостей привели к падению качества гидродинамических расчетов. Это вызвало повсеместное снижение доверия к результатам гидродинамического метода исследований при оценке и переоценке запасов подземных вод на водозаборах ХМАО и ЯНАО. К сожалению, указанная тенденция свойственна не только для гидрогеологических исследований в Западной Сибири. Данный подход поддерживается в действующей Классификации запасов и прогнозных ресурсов подземных вод (МПР, 2007 г.). На наш взгляд, в данном документе существенно занижена важная роль гидродинамических расчетов при выполнении гидрогеологических работ на водозаборных сооружениях, по сравнению с прежними редакциями. Так, например, запасы по категории А могут выделяться исключительно по факту добычи некоторого количества воды, соответствующего средней производительности водозаборного сооружения за последние 3 года, без какого–либо гидрогеологического (расчетного, научного) обоснования вообще.

Все чаще авторы и эксперты при анализе работы водозаборных сооружений игнорируют гидродинамические расчеты и опираются на гидравлические методы подсчета запасов. Чаще всего, расчеты водозаборных сооружений сводятся к серии несложных арифметических действий. Такой упрощенный подход, фактически, полностью исключает научный и исследовательский компоненты из работ по оценке и переоценке запасов подземных вод, является вредным и влечет неизбежное снижение квалификации специалистов.

Таким образом, результаты исследований показывают, что гидрогеологические параметры продуктивного эоцен – олигоценового горизонта по многим месторождениям пресных подземных вод Западной Сибири определены не точно. Принятые значения коэффициента водопроводимости Т = 1000–3000 м²/сут завышены в 2-3 раза. Указанные значения были рассчитаны в период разведки месторождений, проводившейся в 80-ых годах прошлого века на основании схемы однородного безграничного изолированного пласта. Ошибки в определении фильтрационных свойств продуктивного горизонта закономерно влекут за собой ошибки в определении граничных условий. Значения параметра перетекания В (м), составляющие от 5000 до 10000 м и более, представляются не верными.

На сегодняшний день совершенно ясно, что при эксплуатации подавляющего большинства артезианских водозаборов Западной Сибири реализуется схема безграничного пласта с перетеканием из горизонта с постоянным напором. Нередко, пласт является гетерогенным и неоднородным в плане. Расчеты, выполненные с учетом перетекания, показывают, что средние значения коэффициента водопроводимости продуктивного эоцен – олигоценового горизонта по действующим водозаборам ХМАО и ЯНАО укладываются в диапазон от 200 до 1200 м²/сут. Параметр перетекания В при длительной работе водозаборов, чаще всего, составляет от 200 до 900 м.

Попытки внедрения данной системы расчетов, как правило, встречают противодействие со стороны специалистов и экспертов территориальных отделений ГКЗ и ТКЗ. Нередко в экспертных заключениях на отчетные материалы гидродинамическому методу подсчета запасов отводится второстепенная роль, что, на наш взгляд, противоречит основным научным представлениям о целях и методах гидрогеологических исследований, а также не соответствует ряду положений действующих нормативных документов.

НАШИ КОНТАКТЫ

КАРТА САЙТА

Оценка запасов подземных вод

На главную