Опытно-фильтрационные работы в скважинах на воду: для чего нужны

Опытно фильтрационные работы (также используется термин «опро́бование» и сокращение ОФР) — основной и один из наиболее массовых видов гидрогеологических исследований. С помощью ОФР специалисты получают необходимые сведения о ключевых характеристиках водоносных горизонтов, которые используются в дальнейших расчетных работах и при непосредственном недропользовании.

Главным объектами исследования при опробовании скважин является вода в водоносном горизонте и горные породы. Давайте рассмотрим основные сведения, которые получают эксперты в результате проведения опытов и анализа их результатов.

Какие данные получают при помощи ОФР

Среди основных параметров, которые лежат в области опытов при ОФР, следует отметить следующие:

• Удельный дебит водоносного горизонта — производительность водозабора относительно возможного извлекаемого объема и времени (например, кубических метров в час).
   
• Устойчивость водоносного горизонта — противостояние водного слоя неблагоприятным обстоятельствам и способность к восстановлению рабочих параметров после сбоя.
   
• Перспективные возможности скважины в длительном временном отрезке — проще говоря, определение срока эксплуатации точки водозабора при соблюдении проектной мощности.
   
• Общее качество воды — минерализация, загрязнение примесями и общее соответствие санитарным нормам в зависимости от назначения (питьевая либо техническая).

Также ОФР позволяют дать оценку гидродинамических и миграционных параметров водоносных слоев и примыкающих к ним слабопроницаемых пород. Гидродинамика характеризует элементы фильтрационного потока в процессе движения подземных вод. А миграционные параметры описывают перенос содержащихся в воде веществ.

На основе полученных данных в дальнейшем можно спроектировать оптимальные системы фильтрования, выбрать правильное насосное оборудование и наладить эффективную систему водоснабжения.

Кроме того, при бурении скважины для значительного извлечения воды из артезианских водоносных слоев данные по качеству воды в целом и минерализации в частности являются важным пунктом в процессе получения лицензии на недропользование. А еще ОФР позволяет избежать ухудшения экологической и гидрогеологической ситуация в зоне недропользования и на прилегающих территориях.

Виды опытно-фильтрационных работ

Базой в комплексе ОФР является откачка воды из одной или нескольких скважин. В зависимости от целей, результатов и применяемых технологий различают три вида откачек — пробные, опытные и опытно-эксплуатационные.

Пробные — это основной вид опробования всех разновидностей гидрогеологических скважин перед их дальнейшей эксплуатацией. Пробные ОФР характеризует кратковременность и относительная простота опытов — как правило, пробная откачка длится в интервале 6-12 часов и с однократным понижением уровня. Основные задачи этого вида работ — прочистка скважины после завершения процесса бурения и определение удельного дебита точки водозабора.

Опытные откачки позволяют оценить фильтрационные параметры водоносных и слабопроницаемых пород. Специалисты определяют следующие физические показатели (указаны лишь наиболее значимые):

• Коэффициент фильтрации. Скорость перемещения водяного потока через слой грунта при условии полного насыщения этого слоя водой (градиент напора равен единице). Может определяться и лабораторным путем, но основный способ вычисления — именно по результатам ОФР.
   
• Коэффициент водопроводимости (или просто — водопроводимость). Важная составляющая в характеристике фильтрационных свойств грунтов. Представляет собой произведение указанного выше коэффициента фильтрации на мощность водоносного пласта.
   
• Пьезопроводность — скорость передачи давления в пласте. Определяется преимущественно путем замера данных при откачке и нагнетании в нескольких скважинах (кустовые откачки-нагнетания).
   
• Уровнепроводность — величина, аналогичная пьезопроводности и определяющая скорость возмущения в безнапорном пласте.
   
• Гравитационная водоотдача (она же емкость). Этот параметр описывает способность грунта высвобождать из породы воду «естественным» физическим путем под действием гравитационной силы (то есть силы тяжести).

Проведение опытных откачек, в отличие от таких же пробных, проходит не с одним, а с двумя или тремя понижениями воды. Это помогает точнее определить зависимость дебита от степени снижения уровня водоносного горизонта. Также интенсивно применяется технология опытных откачек на нескольких скважинах (они называются кустом). Такой опыт предполагает использование нескольких дополнительных наблюдательных скважин в дополнение к основной. Оборудование в них позволяет регистрировать изменения уровня, в некоторых случаях — колебания степени минерализации воды при проведении опытных работ.

Кустовые опытные откачки проводятся значительно дольше пробных — до 15 суток, иногда и более. Но завершение откачки не означает конец опыта — дополнительно проводятся наблюдения за восстановлением уровня водоносного горизонта.

И, наконец, опытно-эксплуатационные откачки. Могут быть как одиночными, так и на нескольких скважинах. Этот тип опробования незаменим в случаях, когда необходимо провести «разведку боем». То есть получить детальную информацию о подземных водах в месторождениях со сложными гидрогеологическими условиями до получения суммарного дебита, изначально заложенного в проекте.

Подобное исследование дает возможность оценить эксплуатационные запасы водоносного горизонта в условиях, когда практическое обоснование расчетных данных фильтрационной схемы сильно затруднено. Длительность таких работ самая высокая — как правило, до трех месяцев. Но в особо тяжелых условиях сроки проведения опытно-эксплуатационных откачек могут достигать почти астрономических величин — до одного года. Главная цель этой разновидности ОФР все также — определение зависимости скорости извлечения водных ресурсов и уровня их понижения в водоносном горизонте.  Дополнительные задачи — оценка взаимного влияния на эти показатели при извлечении недр из групп скважин, контроль изменения минерализации и общего качества воды.

Как проводятся опытно фильтрационные работы

Проведение ОФР условно можно разделить на следующие этапы:

Подготовка. Включает в себя изучение документации на скважину (при ее наличии), транспортировку и подготовку оборудования для проведения замеров и отбора проб.

1. Откачка воды с заданной интенсивностью в привязке ко времени и объему. При откачке уровень воды замеряется на всем протяжении работ от самого начала до полного завершения с заданным интервалом времени.
    
2. Наблюдение за восстановлением уровня. После остановки откачки эксперты фиксируют время, за которое уровень воды возвращается к исходному положению.
    
3. Анализ отобранных проб воды на химический состав.
    
4. Обработка данных, определение дебита скважины и составление эксплуатационных рекомендаций.

Для проведения ОФР гидрогеологи применяют специальные водоподъемные устройства. Обычно это либо классические погружные насосы, либо эрлифты — приспособления для поднятия воды на поверхность при помощи давления сжатого воздуха. Эти устройства позволяют получить данные по расходу, максимально приближенные к нужным проектным значениям производительности.

Сам расход воды в процессе опробования традиционно измеряется объемным способом — с использованием мерного резервуара необходимой вместительности. Есть и более современный способ — расходомеры и счетчики, которые считают количество прохождения воды без необходимости ее извлечения в емкость. Однако, даже в случаях, когда никаких мерников нет, специалисты находят «полевые» решения и косвенные методы. Например, путем использования паспортных данных насоса — расхода электроэнергии и времени его работы.

Важно. При проведении опробования скважин вся извлекаемая вода должна откачиваться в пониженные участки рельефа за пределы радиуса влияния ОФР. Это необходимо для соблюдения экологических норм и охраны окружающей среды — в том числе от заболачивания, образования оврагов и прочих негативных проявлений.

Поэтому ответственные подрядные предприятия, выполняющие опытно-фильтрационные работы, всегда включают в план подготовительных создание необходимой инфраструктуры, позволяющей исключить отрицательные воздействия на природу.

Для чего все это надо

Полученные при проведении ОФР результаты поступают на дальнейшую обработку специалистам-гидрогеологам для составления отчета и расчета водных запасов. Важно отметить, что уровень подготовки экспертов, которые будут заниматься как физическими опытами, так и научным анализом полученных данных, непосредственно влияет на достоверность и качество расчетных параметров и финальных результатов. А ведь именно от них напрямую зависит эффективность, результативность и рациональность недропользования.