Прогноз развития геофильтрационных процессов.

Завершающим этапом работ является собственно моделирование на перспективу при известных нагрузках на скважины. Рассматривалась пятилетняя перспектива 2013 – 2018 гг. Нагрузки на скважины приняты в соответствии с утвержденными запасами. Исключение составляет скважина № 107Р, где нагрузка увеличена до 200 м³/сут. Цифровой материал представлен в табл. 4.4.  

                    Рис. 4.13 Сопоставление модельных и фактических уровней в

                                                  наблюдательных скважинах.

Рассматривался прогнозный период 2013 -2018 гг. Результаты моделирования валанжинских подгоризонтов изображены на рис. 4.14, титонского горизонта – на рис. 4.15.  

Рис. 4.14. Прогнозные понижения уровня в верхневаланжинском (А) и нижне-

         валанжинском (Б) водоносных подгоризонтах на конец 2018г.

                Рис. 4.15. Прогнозные понижения уровня в титонском водоносном

                                                 подгоризонте на конец 2018 г.

Расчеты показывают, что понижение уровня в валанжинском горизонте за рассматриваемый период не превышает 5,0 м. в валанжинских подгоризонтах и до 4,0 м. – в титонском горизонте. Это «обязательное» (S_об) понижение, обусловленное структурой гидродинамического потока. В эксплуатационных скважинах присутствует еще дополнительное понижение (S_г), которое объясняется гидравлическим несовершенством фильтра. Его величина может быть рассчитана по известной формуле [20]:

                                                                                                 (4.19).

    Решение (4.19) связано с некоторыми трудностями, поскольку в расчетную формулу входит неизвестная величина r_c, которая может быть установлена только по кустовой откачке. По одиночной можно определить только комплексный параметр а*/r_c² и удельный дебит скважины. Если же есть только данные гидрогеологического мониторинга, и известен только удельный дебит, оценить проводимость скважин можно используя эмпирическую зависимость, связывающую водопроводимость горизонта (km) с удельным дебитом (q), выраженных в м²/сут. (km = 1,5×q). В конечном итоге (4.19) можно переписать в следующем виде:     

                                                                       (4.20).

    Формула (4.20) дает погрешность до 20-30%. Применение ее вынужденная мера, когда информация по объекту крайне ограничена. Расчеты проводимости скважин представлены в таблице 4.5, они также заложены в модель.

                                                                                                                      Табл. 4.5.

                                Расчет проводимости (С*) эксплуатационных скважин.

Основная цель гидродинамического моделирования доказать, что на конец расчетного периода положение уровня во всех эксплуатационных скважинах не опустится ниже критического. Критический уровень в данном случае определялся исходя из экологических соображений. Учитывая крайне неблагоприятную ситуацию с грунтовыми водами, не допускается снижение динамических уровней в рабочих скважинах ниже положения уровня грунтовых вод. Последний располагается на отметках 4,0 – 6,0 м. ниже поверхности земли. То есть, критическое положение уровня определялось как отметка поверхности земли в точке расположения конкретной скважины минус 4,0 м. Исключение составляют скважины Березовского участка (№ 2-Б бис, 7-РЭ), расположенные за пределами города вверх по потоку, и в зоне, где какие-либо источники загрязнения отсутствуют. Здесь допустимое снижение уровня принято не ниже кровли водоносного горизонта. Расчеты понижений и прогнозных уровней на конец 2018 г, а также допустимые отметки уровня сведены в таблицу 4.6.  

                                                                                                                         Табл. 4.6.

       Результаты расчета понижения уровня в эксплуатационных скважинах.

      Из таблицы следует, что с точки зрения гидродинамики, ситуация вполне надежная, и имеет достаточный запас прочности.

      4.7. Моделирование процессов геомиграции.

    Использовался тот же программный пакет. Моделировалась только минерализация, ионно-солевой состав определялся по данным регрессионного анализа (рис. 3.16, рис. 3.22). Рассматривалась плоско-пространственная задача, описываемая системой дифференциальных уравнений (4.6).

    Учитывая высокие гидравлические градиенты, и относительно большие скорости фильтрации, диффузионные процессы имеют подчиненное значение и в данной постановке задачи, они не учитывались, то есть, рассматривался только конвективный перенос. Кроме того, в модели не учитывались процессы перераспределения водопритока по стволу фильтра. На разных режимах эксплуатации скважин, эпюра водопритока по стволу фильтра различна, а учитывая наличие вертикальной гидрогеохимической зональности, солесодержание общего потока на устье скважины будет несколько отличаться в зависимости от нагрузок. Геомиграционная модель учитывает только балансовые составляющие периферийных водопритоков и вертикальные притоки в кровле и подошве рассматриваемых пластов.  

Исходная информация включала начальное распределение минерализации по горизонтам, сведения о которых имеются в главе 3, минерализацию инфильтрационного питания, которая принята равной 0,25 г/дм³, фиксированную минерализацию речной сети, которая тоже известна.

Основная проблема при построении миграционной модели связана с параметрическим обеспечением, в частности с определением эффективной пористости. Сведения по сорбции при фильтрации крайне скудны. Имеющаяся информация не позволяет достаточно точно оценить сорбционные свойства горных пород. Серьезные проблемы возникают и при постановке миграционных исследованиях, учитывая их высокую стоимость и сложность.

Эффективная пористость представляет собой соотношение:

. Для оценки эффективной пористости водоносных горизонтов, использовался период 1948 – 1950 гг. Период характеризуется отсутствием воздействия на водоносные горизонты режимов эксплуатации скважин. Если за этот период элементы водного баланса оставались неизменными, то и минеральный состав подземных вод должен быть стабильным. Это условие использовалось для определения эффективной пористости. Если процессы сорбции, десорбции или ионного обмена в рассматриваемом блоке отсуствуют, то эффективная пористость должна быть равна активной. В противном случае ее необходимо определить с учетом фактических процессов миграции. Задача решалась подбором. Последовательно увеличивалась эффективная пористость, и оценивались расхождения между фактическими и модельными значениями. Если (за период 1948–1950 гг.) погрешность не превышала ±1,0%, то принималось принятое значение. Эти блоки фиксировались, и задача решалась для остальных блоков, где данное условие не выполнялось. Таким образом заполнялось все поле миграционной модели. Для валанжинских подгоризонтов решение представлено на рис. 4.16.        

                          Рис. 4.16. Распределение параметра эффективной                                                         

                                     пористости валанжинских горизонтов.

Для титонского горизонта эффективная пористость оказалась равной 0,2.

После определения эффективной пористости, проводился контроль вычислений. С этой целью проводилось моделирование массопереноса на отрезке времени t = 1000 сут, и сопоставлялись модельные и фактические значения минерализации. Если расчеты выполнены корректно, минерализация должна остаться неизменной. Такое сопоставление представлено на рис. 4.17, откуда следует, что расчеты сделаны корректно.

Далее выполнялось моделирование миграции за период 1951 – 2013 г. Основная задача – оценка точности модели. Она проводилась только по эксплуатационным скважинам, поскольку гидрогеохимический мониторинг по сети наблюдательных скважин не выполнялся. Результаты моделирования и сопоставление с фактическими данными представлены на рис. 4.18. Как следует из сопоставления, расхождения между фактическими и модельными данными не

          Рис. 4.17. Схема распределения фактической минерализации на начало

               эксплуатации (t = 0) и модельной на момент времени t = 1000 сут.

  (А) – верхневаланжинский подгоризонт, (Б) – нижневаланжинский

                           подгоризонт, (В) – титонский горизонт.                                                                 

        Рис. 4.17. Сопоставление модельных и фактических значений минерализации

                                             по эксплуатационным скважинам.  

превышают 15%. Исключение составляют скважины № 5/0, 5/0-бис, 107, где погрешность достигает до 70%. Здесь требуются пояснения. Дело в том, что куст скважин 5/0 имеет, скорее всего, технические проблемы самих скважин. Об этом уже указывалось главе 3. Скважина № 107 с 2012 г. Не эксплуатируется, она заменена скважиной-дублером № 107Р, которая, хотя и расположена в непосредственной близости от скв. № 107, но имеет иные гидравлические характеристики.

В таблицу 4.7 сведены результаты расчетов минерализации подземных вод, полученные по данным моделирования и методом многомерного регрессионного анализа, изложенного в главе 3. 

                                                                                                                       Табл. 4.7.

    Прогнозная минерализация в эксплуатационных скважинах на 2018 г.

.

Анализ материала позволяет сделать следующие заключения.

1. Геолого-гидрогеологические условия Кисловодского месторождения чрезвычайно сложны, и относятся к IV группе сложности (очень сложные). Сложность условий определяется наличием плановой и вертикальной неоднородности, тесной гидравлической связью водоносных горизонтов, неоднородностью и зональностью минерального состава подземных вод, и др.

2. Гидродинамический режим определяется режимами эксплуатации водозаборных скважин, находящихся во взаимодействии, инфильтрационным питанием, утечками из коммунальных сетей различного назначения, утечками от неканализованных поселков. Как результат, динамические уровни в скважинах на преобладающей площади месторождения имеют тенденцию к росту.

3. Гидрогеохимический режим месторождения также не является стабильным, и зависит от тех же факторов. Между общей минерализацией и ионно-солевым составом имеется довольно тесная линейная (или близкая к линейной) корреляционная связь.

4. Минеральный состав в валанжинском и титонском горизонтах характеризуется различной направленностью. В валанжинских подгоризонтах отмечается устойчивая тенденция к снижению показателей, в титонском - небольшой рост. Что касается диоксида углерода, то здесь тенденции одинаковы, и характеризуются снижением концентрации.

5. Применение многофакторного регрессионного анализа в данном случае обосновано, и единственно разумное, что можно предложить в таких сложных геолого-гидрогеологических условиях. Полученные среднемноголетние темпы изменения показателей за полувековой период, наиболее точно характеризуют общую направленность динамики процессов, и позволяют прогнозировать их на перспективу. Достаточно точные оценки могут быть получены при прогнозировании ситуации с периодами упреждения до 5 – 7 лет. С увеличением сроков, точность расчетов снижается.

6. Если режим эксплуатации скважин месторождения не изменится в ближайшее время, то прогнозные цифры кондиционного состава на ближайшие 5 лет (по 2018 г.) можно оценить просто по темпам их изменения. 

Такие расчеты по скважинам валанжинских подгоризонтов и титонскому горизонту представлены в таблицах 4.8 и 4.9. Здесь для определения ионно-солевого состава использовались корреляционные зависимости между минерализацией и отдельными компонентами.       

Если сопоставить минеральный состав подземных вод с данными ГОСТ Р 54316-2011 «Воды минеральные природные питьевые», то можно отметить, что скважины № 5/0-бис, 8-бис, 23, 1-ОП не отвечают требованиям. Более того, ситуация с каждым годом становится более критичной. Основная причина это все-таки утечки из инженерных сетей и неканализованных поселков. Впервые об этом указывалось еще в протоколах ГКЗ СССР в 1957г, однако ситуация с тех пор только ухудшилась. Рост городского населения происходит в основном за счет именно этих поселков, а состояние инженерных сетей из года в год ухудшается.

                                                                                                                 Таблица 4.8.

Расчеты прогнозных кондиций по скважинам валанжинских подгоризонтов.

                                                                                                                         Таблица 4.9.

Расчеты прогнозных кондиций по скважинам валанжинских подгоризонтов.

7. Математическая модель довольно точно отражает процесс формирования гидродинамического и гидрогеохимического режима. Модель не учитывает перераспределение водопритоков по стволу фильтра водозаборных скважин при моделировании процессов геомиграции, но дает возможность оценить в прогнозах латеральные и вертикальные водопритоки, оценить баланс по всем участка месторождения. Данные моделирования достаточно хорошо согласуются с методами гидравлики и могут совместно использоваться в прогнозных расчетах, что естественно повышает точность и надежность расчетов.