CC BY
54
УДК 550.832.9
В.Ю. Тимофеев1, Д.Г. Ардюков1, Е.В. Бойко1, А.В. Тимофеев1, А.В. Ярошевич2, П.Ю. Горнов3
1 ИНГГ СО РАН, Новосибирск
2 ИТЦ ГМГС, Иркутск
3 ИТиГ ДВО РАН, Хабаровск
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПРИЛИВНЫХ ВАРИАЦИЙ ВОДНОГО УРОВНЯ В СКВАЖИНАХ И БАРИЧЕСКОГО ЭФФЕКТА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ УПРУГИХ ПАРАМЕТРОВ ПЛАСТА
Вариации водного уровня в скважине отражают приливный, барический и тектонические эффекты. Атмосферное давление и уровень воды записывался в скважинах, расположенных на Дальнем Востоке России, континентальная точка в 300 км от берега моря - Бычиха, около Хабаровска и на побережье - на полуострове Камчатка и Курилах. Изучался отклик системы на периодическое приливное воздействие. Вариации уровня отражают дилатацию в слое, а также вариации атмосферного давления, что даёт возможность изучать упругие модули и пористость слоя в условиях статической модели. Эксперимент позволяет получать эти параметры с точностью 5%. Для близких в океану скважин - значителен его вклад. Для одних типов моделей пористость является предметом изучения, для других, например, скважина Талая пройденная в монолитных породах около Байкала, предмет изучения - ориентация системы трещин. Для сравнения рассматриваются результаты для неглубокой скважины в Королевской Обсерватории Бельгии в Брюсселе, здесь сложно выбрать определенную модель явления.
V.Y.Timofeev1, D.G. Ardyukov1, E.V. Boyko1, A.V. Timofeev1, A.V. Yaroshevich2, P.Y. Gornov3
1 Trofimuk Institute of Petroleum Geology and Geophysics SB RAS (IPGG)Acad. Koptyug av. 3 Novosibirsk, 630090, Russian Federation
2 METEO-SERVIS, 17, Rossiiskai st., 41, Irkutsk, 664025, Russia
-5
Institute of Tectonics and Geophysics, Far East Branch of the Russian Academy of Sciences, Kim Yu Chena st., 65, Khabarovsk, 680063, Russia
TIDAL WATER LEVEL CHANGES AND BAROMETRIC EFFECTS IN WELLS: APPLICATION TO THE DETERMINATION OF ELASTIC CONSTANTS OF AQUIFERS
Water level fluctuations in wells reflect tide, barometric, and tectonic effects. Atmospheric pressure and water level are monitored in deep wells located in Far East Russia: a continental point 300 km far from the Pacific ocean -Bychikha well, Khabarovsk region and a point near the coast - at Kamchatka peninsula and at Kurily
islands. The data were used to study the response of the well-aquifer system to periodic tidal loading. Water level fluctuations record pressure head disturbances caused by dilatation of the aquifer as well as atmospheric pressure variations. It is thus possible to obtain the elastic constants and porosity of the aquifer using a static model analysis. The experiments confirmed the possibility to monitor these parameters with the accuracy better than 5%. For a well located close to the ocean tidal loading effects can perturb the well response. For one kind of the model, the layer porosity was the object of our study, in other case it was the crack orientation for monolith rock, as at Talaya point near Baikal Lake. For comparison the theory was applied to a shallow aquifer located at the Royal Observatory of Belgium (ROB) in Brussels with less success due to the existence of a multiple aquifer system.
Приливные эффекты являются одним из редких явлений в геофизике, где точно известна сила, прилагаемая к геологической среде. При анализе вариаций водного уровня в глубоком пласте решаются следующие задачи:
- Выбор моделей явления (реакция водного уровня на приливное, атмосферное и тектоническое воздействия);
- Расчет коэффициентов связи с давлением, теоретическим приливом для горных пород региона;
- Для модели ограниченного пласта - получение значений упругого модуля (g) и значение пористости (п) для водоносного слоя;
- Для модели ограниченной полости - определение ориентации трещиноватости в горных породах;
- Оценка косейсмических изменений деформации и моделирование деформаций при землетрясениях.
В работе проводится анализ данных наблюдений вариаций водного уровня в следующих скважинах: Бычиха (№1110, в районе пос. Бычиха, координаты 9=48°19'N, X=134°49'E, глубина 1000 м), ЮЗ5 (Камчатка, 53°169'N, X=158°41'E, глубина 1001-310 м), Кунашир (скв. 2722, остров Кунашир, 9=44°02'N, X=148°52'E глубина 300 м), Талая (скв. 1608, южный Байкал, 9=51°41'N, X=103°38'E, глубина 110 м), Уикль (КОБ, Брюссель, Бельгия, 9=50°50'N, X=04°25'E, глубина 100 м). Регистрация измерений водного уровня проводилась с помощью установленных в скважинах датчиков, чувствительность систем составляет от 0.1 мм до 1 мм. Цифровая запись атмосферного давления поводилась системами с чувствительность 1 мбар и лучше. Анализировались периоды наблюдений от 40 дней до 11 лет.
Рассмотрим три модели водоносных систем: ограниченная полость, замкнутый пласт и незамкнутый пласт в терминах.
В первом приближении по величине приливной реакции можно определить тип модели. Так для рассматриваемых результатов большинство скважин можно отнести к модели «ограниченный пласт». Скважина Талая относится в модели «ограниченная полость», а скважина Уикль, видимо, является комбинацией нескольких типов. Для модели «ограниченный пласт» в статическом случае базовое уравнение связи напряжения с поровым давлением было выведено М.
Био для малых деформаций линейных и изотропных упругих сред при изотермических условиях. При учете эффекта сжимаемости гранул, выражение Био можно записать в виде:
е у = (1УК){а ^ • (1+уУ[3(1-*0] - (а ^ ^)/(1 - 2У) - а•p•5iJ /3} (1)
где а =1/3^ (о11 + а22 + а33) - напряжение, а = 1 - К/ Ks. и остальные символы: е, . деформация, aiJ - напряжение, V - коэффициент Пуассона, 5у - символы Кронекера (при 1=] ,61, =1, при ^], 5у = 0), К- объемный модуль упругости пласта, К,, - объемный модуль упругости твердой фракции, включая эффект несвязанных пор. В этих выражениях для деформаций, напряжений и давлений идет речь только о вариациях этих величин.
Используя выражения для деформаций, вызванных горизонтальными (приливными, dHУdsт) и вертикальными (атмосферными, у) напряжениями, в случае отсутствия потоков поровой жидкости можно получить выражения для упругого модуля пласта:
dp/dет = 20-у ^ dH•p•g /dет = 20-у ^ О = (dHУdsT )(р^/2у) (2)
На практике, отсутствие горизонтальных потоков можно предположить, если формация имеет большие горизонтальные размеры. Однако вертикальные потоки могут появиться, если выше и нижележащие пласты имеют разные упругие или гидравлические свойства. Допуская большую горизонтальную протяженность пласта, можно утверждать, что приливные горизонтальные деформации не приводят к вертикальным потокам.
Задав коэффициент Пуассона, можно получить значения объемного модуля (К) и пористости слоя:
К = 2а(^У[3(1^)] (3)
п = [(1 - у)-К <^)] У [3уК(1^)] (4)
Результаты пересчета данных анализа представлены в таблице 1.
Таблица 1 Результаты приливного анализа для суточных (О1 и К1) и полусуточных волн (М2 и Б2) и упругие параметры пласта по скважине №1110
(Бычиха)
Волны 01 К1 М2 Б2
СІН/ СІЄт (мм/нстр.) 1.47 1.20 1.59 1.57
У 0.577 0.577 0.577 0.577
0-101иПа 1.26 1.02 1.37 1.35
V 0.2 0.2 0.2 0.2
Е-101и Па 3.02 2.44 3.29 3.24
К-101и Па 1.67 1.36 1.82 1.8
Кґ1010 Па 0.23 0.23 0.23 0.23
N 0.051 0.06 0.047 0.048
Проверка подходов, использованных в работе с петрофизическими параметрами, показали, что значения могут отклоняться на 4-11%.
Модель «ограниченная полость» рассмотрим на примере скважины 1608 на сейсмостанции Талая (южный Байкал) глубиной 110 метров пробурена в монолитных мраморах. Изменение уровня для модели «ограниченная полость»:
аи=ау / [п-Л, + (р-^ / к,)], (5)
если радиус много меньше объёма, получаем выражение: аи = А-К»/р-§, где А = аУ/У - дилатация.
0,25
, 0,2
•Пористость по волне 01 Пористость по волне М2 Пористость по волне Б2 Давление, МПа
0,00
-2,00.
-4,00^
оТ
-6,00с;
О
-ю,00з
с;
т
12,00
Ч
Бычиха (1000) Камчатка (310) Уикль(100)
Название скважины и глубина, м
Рис. 1. График значений пористости в зависимости от эффективного давления в слое и глубины скважины (для приливных волн 01, М2, Б2). Сходимость параметра (для 01, М2, Б2) увеличивается с глубиной
По анализу данных (2007 год) по приливной программе с объёмной
деформацией получено значительное несоответствие по фазе. Подобрано
решение для горизонтальной деформации с минимизацией фазового
запаздывания, выбрана горизонтальная деформация в азимуте 130 градусов, что
можно объяснить наличием зоны трещиноватости (ориентация около 40
градусов) вдоль горной долины по ручью Талая - это около 40 градусов, т.е.
ортогонально приложенной силе. Для приливной волны М2 имеем отношение
0.10 мм на нанострейн (при теоретической амплитуде 6.6505 нанострейн,
экспериментальной амплитуде 0.675 мм), для коэффициента связи с
атмосферным давлением 2.0 (мм на КПа)., что приводит к выражению для у =
0.2. Таким образом, для волны М2: аи = 0.675 мм, для изменения объёма А -
амплитуда 6.65 нанострейн. Сравним выражения в правой и левой частях для
соотношения аи = А-К»/р-§. Для аИт (теоретическая) = А-К/р^ = 1.56 мм.
Таким образом, экспериментальное значение в 2.3 раза ниже теоретических
расчётов. Т.е. можно предположить, что в первом выражении соотношения в
знаменателе равны. Пусть они равны, тогда имеем для скважины при г = 0.1
метра (диаметра скважины на Талой, по керну - мрамор трещиноватый) в
_2 2 2
соответствии с выражением п-г2» величину 3.14-10- м. Далее 3.14-10- =
3 3
(р-§-У/К») и для объёма У = 7.37 • 10 м . Пусть глубина трещин будет 100 м и ширина 0.01 м, если предположить наличие в зоне трещиноватости около 30-50 трещин, то их протяженность (или эффективность для скважины) 200 м., т.е.
порядка глубины скважины. Формальное использование подхода с соотношениями Био, при dH/ds = 0.10 mm/nstr, у = 2 mm/KPa, даёт величину упругого модуля 0.2-10'10 Па. Т.е. модуль «пласта» в данном случае это модуль воды.
Использование данных об изменении уровня воды для геодинамических исследований может быть построено на основе соотношения dH/ds, т.е. пересчитать изменение уровня в изменения локальной деформации и далее использовать этот метод для мониторинга. Для станции Талая скачок уровня в момент Култукского землетрясения (27.08.2008, М = 6.3) позволил определить скачок деформации - растяжение величиной 10-6. Полученная величина косейсмической деформации, а также данные по изменениям 3D смещений, позволили проверить модель землетрясения.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Biot M.A. General theory of three-dimensional consolidation. // J. Appl. Phys., 1941, No12, p. 155-164;
2. Bredehoeft J. D. Response of well-aquifer systems to Earth Tides. // J. Geophysical Res., 1967, V.72, No 12, p. 3076-3087;
3. Cooper H. H., Bredehoeft J. D., Papadopulos I. S., Bennett R.R. The response of well-aquifer systems to seismic waves. // J. Geophysical Res., 1965, V. 71, p.3915-3926;
4. Delcourt-Honorez M. Determination of the in situ parameters from the observed tidal oscillations in the well-aquifer systems at the Roal Observatory of Belgium // Marees Terrestres Bulletin D’lnformation (BIM), 1989, N103, p.7228-7255;
5. Delcourt-Honorez M. Relating Earth’s tides to hydrogeology at several sites in Belgium // Proceedings of the Thirteenth International Symposium on Earth Tides, Brussels, 1998, p.245-152;
6. Nur A., Byerlee J.D. An exact effective stress law for elastic deformation of rock with fluids. // J. Geophys. Res., 1971, Vol. 76, p. 6414-6419;
7. Rice J.R., Cleary M. P. Some basic stress diffusion solutions for fluid-saturated porous media with compressible constituents. // Rev. Geophys. Space Phys., 1976, Vol. 14, p. 227-241;
8. Van Der Kamp G., Gale L. E. Theory of Earth Tide and Barometric Porous Formations With Compressible Grains. // Water Resources Res., 1983, Vol. 19, p. 538-544;
9. Wenzel H. G. Earth tide analysis package ETERNA 3.0.// BIM, ORB, Brussel, 1994, N.118, p. 8719-8721.
10. Тимофеев В.Ю., Горнов П.Ю., Корчагин Ф.Г., Запреева Е.А. Мониторинг упругих параметров водонасыщенного пласта по наблюдениям уровня воды в скважине. // Геология и геофизика. - 2003-т.44.- № 8. С.840-850.
© В.Ю. Тимофеев, Д.Г. Ардюков, Е.В. Бойко, А.В. Тимофеев, А.В.
Ярошевич, П.Ю. Горнов, 2011
