試井理論在洞庫水幕效率試驗中的應(yīng)用

張 龍，陳 剛，胡 成

(中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430074 )

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試井理論在洞庫水幕效率試驗中的應(yīng)用

張 龍，陳 剛，胡 成

(中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430074 )

在低滲透性巖體中建造地下水封洞庫需要水幕系統(tǒng)保證密封性，而單水幕孔及整個水幕系統(tǒng)的效率高低是判斷地下水封洞庫密封性的重要標(biāo)準(zhǔn)。通過水幕效率試驗，可以獲取洞庫巖體的滲透性參數(shù)，預(yù)測水幕孔效率，并設(shè)計提高水幕系統(tǒng)效率的方案。運用試井理論以實測壓力恢復(fù)曲線和壓力導(dǎo)數(shù)曲線來識別和選擇模型，用標(biāo)準(zhǔn)曲線進(jìn)行擬合，能夠?qū)⒎浅Ｎ⑿〉牡叵滤鲃訝顟B(tài)敏銳地捕捉，并進(jìn)行準(zhǔn)確地解釋。將該理論應(yīng)用到洞庫水幕效率試驗中，結(jié)果表明：其解釋資料可準(zhǔn)確獲取低滲透性巖體的滲透性參數(shù)，有效預(yù)測水幕孔效率，提高低效率孔水幕效率，為地下水封洞庫水幕系統(tǒng)方案設(shè)計提供技術(shù)支持。

試井理論；地下水封洞庫；水幕孔；低滲透性巖體；滲透系數(shù)；水幕效率試驗

地下水封洞庫常選址在低滲透性巖體中，水幕系統(tǒng)是保證水封洞庫密封性的重要組成部分，準(zhǔn)確獲取低滲透性巖體的滲透性參數(shù)一直是地下水封洞庫水幕系統(tǒng)研究的重點[1-3]。依照國內(nèi)的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，水幕孔揭露的低滲透性巖體的滲透系數(shù)獲取難度很大,而單水幕孔及整個水幕系統(tǒng)的效率高低是判斷地下水封洞庫密封性的重要標(biāo)準(zhǔn)，目前能夠評判水幕系統(tǒng)效率的試驗方案及數(shù)據(jù)處理技術(shù)尚無相關(guān)研究報道。

試井理論自20世紀(jì)誕生以來，經(jīng)過長時間的發(fā)展，已從簡單的地層壓力推算發(fā)展到了現(xiàn)代試井解釋?，F(xiàn)代試井解釋主要采用壓力雙對數(shù)曲線和壓力導(dǎo)數(shù)雙對數(shù)曲線的復(fù)合解釋圖版進(jìn)行擬合分析[4]。對于一般壓力分析不明顯、常被忽略的微小變化，壓力導(dǎo)數(shù)雙對數(shù)曲線能夠?qū)⑵浞糯?，使其具有明顯的反應(yīng)，從而可以進(jìn)行正確判斷和解釋。如某些在壓力雙對數(shù)曲線上并沒有什么明顯特征的流動狀態(tài)，在壓力導(dǎo)數(shù)雙對數(shù)曲線上卻有非常明顯的特征。特別對于非均質(zhì)地層，壓力導(dǎo)數(shù)雙對數(shù)曲線具有非常特殊的特征，因而很容易識別，使得試井解釋更加準(zhǔn)確、容易[5]。因此，在地下水封洞庫的水幕系統(tǒng)中，對水幕孔進(jìn)行單栓塞整孔的注水回落試驗，是獲取低滲透性裂隙巖體滲透性參數(shù)的主要試驗手段，也是現(xiàn)代試井解釋方法的試驗數(shù)據(jù)來源。該試驗操作簡單，并能夠準(zhǔn)確獲取壓力、流量測試數(shù)據(jù)，同時結(jié)合相關(guān)信息，可以解決許多問題，如準(zhǔn)確獲取低滲透性裂隙巖體的滲透性參數(shù)，有效預(yù)測水幕孔及水幕系統(tǒng)效率高低，為制定提高水幕系統(tǒng)效率方案提供合理參考等。本文以煙臺萬華地下水封(液化石油氣，LPG)洞庫為例，重點介紹現(xiàn)代試井解釋方法在地下水封洞庫水幕孔效率試驗中的應(yīng)用。

1 儲存巖體的滲透性參數(shù)反演

在地下水封洞庫的水幕系統(tǒng)中，施工有多種形態(tài)的水幕孔，如垂直水幕孔、與水平面有一定角度的傾斜水幕孔和水平水幕孔。目前國內(nèi)外對于垂直水幕孔的研究較多，并且利用垂直水幕孔進(jìn)行水文地質(zhì)試驗求取水文地質(zhì)參數(shù)的方法以及數(shù)據(jù)處理手段較為成熟，與水平面有一定角度的傾斜水幕孔可以經(jīng)過某種等效轉(zhuǎn)化為垂直水幕孔來處理，而對于水平水幕孔的水文地質(zhì)試驗及水文地質(zhì)參數(shù)的求取方法研究還在不斷完善中。由于水平井透水段與含水層有較大的接觸面積，并且安裝水平井對于含水層厚度的要求非常小，其在薄含水層或低透水性含水層中開采或排除地下水的功能比垂直井有明顯的優(yōu)勢[6-7]，因此近些年來引起了人們的廣泛關(guān)注[8-14]。國際上，對于地下水水平井井流的計算可以追溯到Hantush等對輻射井流的研究(可視為一組水平井)，早期的研究還包括Polubarinova-Kochina[15]推導(dǎo)出的一系列預(yù)測水平平硐涌水量的解、Goodman等[16]在假設(shè)海水水面的降深忽略不計的前提下推導(dǎo)出的穩(wěn)定流條件下海底隧道涌水量公式。Kawecki[17]根據(jù)水平井中地下水流流態(tài)變化情況，將其依次劃分為三個階段：①垂直平面徑向流(Early radial flow);②早期線性流(Early linear flow);③水平平面徑向流(Late pseudo-radial flow)。但是，利用不同的解析方法求解水平井井流數(shù)據(jù)最大的瓶頸在于各個流態(tài)的識別，Zuber等[18]通過假設(shè)各個流態(tài)的持續(xù)時間，應(yīng)用不同的解析模型求解驗證，并且與實測曲線進(jìn)行擬合，進(jìn)而對水平井地下水流各流態(tài)進(jìn)行了識別，但識別過程繁瑣、結(jié)果不唯一、操作性差。運用現(xiàn)代試井解釋方法，結(jié)合計算機軟件，可以自動識別水平井地下水流各流態(tài)特征，擬合特征曲線，從而準(zhǔn)確獲取低滲透性巖體的滲透性參數(shù)。

LWC2-E12是煙臺萬華地下水封(LPG)洞庫中水幕巷道中一口水平水幕孔，對該孔揭露巖體的滲透性參數(shù)運用現(xiàn)代試井解釋方法進(jìn)行處理分析，可得到該孔在穩(wěn)定壓力0.79 MPa條件下連續(xù)注水4 h后回落2 h的特征曲線(見圖1)，通過擬合特征曲線可得到該孔揭露巖體的滲透系數(shù)K為1.4×10-6m/s。

2 水幕孔水幕效率分析

在大型地下水封洞庫的水幕系統(tǒng)研究中，水幕孔的水幕效率高低是進(jìn)行多水幕孔聯(lián)合效率試驗的主要獲取參數(shù)，運用現(xiàn)代試井解釋方法，針對不同水幕效率的典型水幕孔與其注水回落試驗特征曲線進(jìn)行研究，能夠有效預(yù)測水幕孔及水幕系統(tǒng)的效率高低。下面對煙臺萬華地下水封洞庫中水幕巷道中的若干水平LPG水幕孔特征曲線與水幕效率進(jìn)行分析，其分析結(jié)果見表1。圖2為各水幕孔的平面位置圖。

對表1相關(guān)項目說明如下：

SaphirK：運用現(xiàn)代試井解釋方法并結(jié)合軟件分析求得的水幕孔揭露巖體的滲透系數(shù)。

水幕孔效率：多水幕孔聯(lián)合效率試驗得到的水幕孔效率。

表1 LPG水幕孔特征曲線與水幕效率分析

壓力圖版整體擬合效果：“很好”表示實測壓差和壓差導(dǎo)數(shù)雙對數(shù)曲線與擬合曲線完全擬合；“較好”表示實測壓差和壓差導(dǎo)數(shù)雙對數(shù)曲線與擬合曲線部分?jǐn)M合。

井筒儲集階段導(dǎo)數(shù)曲線擬合效果：“很好”表示在井筒儲集階段，壓差導(dǎo)數(shù)雙對數(shù)曲線與擬合曲線完全擬合；“較好”表示在井筒儲集階段，壓差導(dǎo)數(shù)雙對數(shù)曲線與擬合曲線部分?jǐn)M合。

是否存在雙重介質(zhì)間滲流過渡段：“是”表示在壓力解釋圖版上存在雙重介質(zhì)間的滲流過渡段，反映水幕孔揭穿了軟件可識別的導(dǎo)水裂隙，在壓力解釋圖版上表現(xiàn)為壓差導(dǎo)數(shù)雙對數(shù)曲線在井筒儲集階段與垂直平面徑向流階段中間的下凹曲線，如圖1中時間對數(shù)坐標(biāo)0.01與1之間的下凹曲線，是衡量該水幕孔是否揭穿了軟件可識別的導(dǎo)水裂隙的重要指標(biāo)；“否”表示在壓力解釋圖版上不存在雙重介質(zhì)間的滲流過渡段，即不存在壓差導(dǎo)數(shù)雙對數(shù)曲線在井筒儲集階段與垂直平面徑向流階段中間的下凹曲線。

是否存在變井筒儲集：“是”表示在壓力恢復(fù)過程中，當(dāng)井筒儲集系數(shù)發(fā)生變化時，在壓力解釋圖版上表現(xiàn)為壓差導(dǎo)數(shù)雙對數(shù)曲線在井筒儲集階段的拱頂偏移或拱頂不光滑，如圖3中時間對數(shù)坐標(biāo)0.01與0.1之間的曲線，是判斷水幕孔回落階段是否有氣體參與的重要指標(biāo)；“否”表示在壓力恢復(fù)過程中，井筒儲集系數(shù)未發(fā)生變化。

分析表1可以發(fā)現(xiàn)，水幕效率高的水幕孔為滲透性最大和滲透性最小的水幕孔，而其他水幕孔全部為低效率孔，其滲透性介于兩者之間。一般來說，在大型地下水封洞庫低滲透性巖體當(dāng)中，影響水幕孔滲透性的關(guān)鍵因素是裂隙的發(fā)育情況與發(fā)育程度，很顯然，隨著滲透系數(shù)的增大，該水幕孔揭穿的裂隙會相應(yīng)增多，但不是所有的裂隙都具有導(dǎo)水功能，在試井軟件能夠解譯的精度范圍內(nèi)，討論壓差導(dǎo)數(shù)雙對數(shù)曲線是否存在雙重介質(zhì)間的滲流過渡段顯得尤為重要。由表1可以看出，在滲透系數(shù)較高的水幕孔LWC2-E12、LWC1-E8、LWC1-E9中全部出現(xiàn)了該過渡段，說明這三個孔的導(dǎo)水裂隙發(fā)育較多且較好。

在試驗回落階段，很多裂隙既充當(dāng)了地下水的流動通道，也為氣體的流動提供了必要途徑，判斷水幕孔回落階段是否有氣體參與的重要指標(biāo)是看該回落階段是否存在變井筒儲集階段。由表1可以看出：在滲透系數(shù)較高的水幕孔LWC2-E12、LWC1-E8、LWC1-E9、LWC3-E3中有LWC1-E8、LWC1-E9、LWC3-E3這三個水幕孔均出現(xiàn)了變井筒儲集階段；LWC2-E12水幕孔雖然滲透系數(shù)較大，卻未出現(xiàn)變井筒儲集階段，說明裂隙的存在并未參與導(dǎo)氣功能，該孔揭穿的裂隙全部被水填充，這種情況在裂隙連通相鄰供水水幕孔的情況下才會出現(xiàn)，也正是由于該原因，導(dǎo)致LWC2-E12水幕孔的水幕效率很高，如果該推理正確的話，那么相鄰水幕孔的滲透系數(shù)應(yīng)與LWC2-E12水幕孔很接近，通過對比注水回落試驗的分析結(jié)果，其中LWC2-E9、LWC2-E10、LWC2-E11、LWC2-E12、LWC2-E13這五個水平水幕孔的滲透系數(shù)數(shù)量級全部為10-7，以上推理得到了驗證；LWC1-E8和LWC1-E9這兩個水幕孔所揭穿的裂隙既導(dǎo)水又導(dǎo)氣，說明所揭穿的裂隙并未與其相鄰供水水幕孔相連通，而且裂隙延伸位置有氣體參與地下水的滲流活動，其延伸方向與水幕孔縱軸方向相一致或成低角度交叉，不能貫穿所有水幕孔，從而導(dǎo)致該孔的水幕效率很低，如果該推理正確的話，那么相鄰水幕孔的滲透系數(shù)應(yīng)與LWC1-E8和LWC1-E9水幕孔的滲透系數(shù)差異很大，而與其相鄰的水幕孔LWC1-E10和LWC1-E7的滲透系數(shù)均比LWC1-E8和LWC1-E9水幕孔的滲透系數(shù)小一個數(shù)量級，以上推理得到了驗證。

隨著裂隙導(dǎo)水能力的降低，雙重介質(zhì)間的滲流作用可能會越來越微弱，以致試井軟件不能成功捕獲識別，但其導(dǎo)氣的作用仍然存在，仍然可以影響井筒儲集階段的曲線形狀，該種情形在LWC3-E3水幕孔中得到了充分的體現(xiàn)，該水幕孔的壓力圖版解譯曲線未出現(xiàn)雙重介質(zhì)的滲流這一過渡段，但在井筒儲集階段卻出現(xiàn)了變井筒儲集現(xiàn)象，證明該孔所揭穿的裂隙只能導(dǎo)氣不能導(dǎo)水，同時該孔所揭穿的裂隙同樣未與其相鄰供水水幕孔相連通，而且裂隙延伸位置有氣體參與地下水的活動，其延伸方向與水幕孔縱軸方向相一致或成低角度交叉，不能貫穿所有水幕孔，從而導(dǎo)致該孔的水幕效率很低。而LWC1-E10、LWC1-E7、LWC1-E3、LWC1-E6這四個水幕孔雙重介質(zhì)間的滲流作用和變井筒儲集階段均未出現(xiàn)，理應(yīng)僅為低滲透性介質(zhì)內(nèi)部地下水的滲流作用，在這種情況下，這四個水幕孔應(yīng)當(dāng)均為高效率水幕孔，但前兩者卻為低效率水幕孔，可能是由于前兩者依然存在導(dǎo)氣不導(dǎo)水的低角度裂隙，但由于試驗裝置及試井軟件的敏感度原因未能準(zhǔn)確捕捉，考慮LWC1-E10、LWC1-E7水幕孔與前述LWC1-E8、LWC1-E9兩個低效率水幕孔相鄰， LWC1-E10、LWC1-E7水幕孔極有可能位于被LWC1-E8、LWC1-E9水幕孔揭穿的低角度裂隙的邊緣，受其影響的可能性極大。

綜上所述，裂隙是影響大型地下水封洞庫水幕系統(tǒng)水幕孔效率高低的關(guān)鍵因素，若低滲透性巖體發(fā)育完整，無裂隙發(fā)育，屬單一孔隙介質(zhì)模型，則一般情況下水幕效率較高；若低滲透性巖體中裂隙較發(fā)育，則要分情況討論。如果裂隙能夠貫穿相鄰水幕孔，增加相鄰水幕孔間的水力聯(lián)系，則會增加水幕孔及水幕系統(tǒng)的水幕效率；如果裂隙未能貫穿相鄰水幕孔，其延伸方向與水幕孔縱軸方向一致或成低角度交叉，滲流過程甚至有氣相的參與，則會大大降低水幕孔及水幕系統(tǒng)的水幕效率，同時與這些孔相鄰的水幕孔也會受其影響，這也是水幕孔水幕效率越高，進(jìn)水量反而越少的原因。掌握以上規(guī)律后，便可在注水回落試驗分析結(jié)果的基礎(chǔ)上，初步判定單水幕孔的水幕效率高低，繼而從整體上有效分析整個水幕系統(tǒng)的水幕效率高低。

3 結(jié)論與思考

(1) 地下水封洞庫常建造在低滲透性巖體中，低滲透性巖體的滲透性對水幕系統(tǒng)的設(shè)計施工至關(guān)重要，運用現(xiàn)代試井解釋方法可以準(zhǔn)確獲取低滲透性巖體的滲透性參數(shù)。

(2) 裂隙是影響大型地下水封洞庫水幕系統(tǒng)水幕孔效率的重要因素，運用現(xiàn)代試井解釋方法可以有效預(yù)測水幕孔水幕效率的高低以及水幕孔揭穿裂隙的發(fā)育類型。

(3) 低效率水幕孔由其揭穿裂隙的發(fā)育類型所致，當(dāng)通過水幕效率試驗分析獲得水幕孔水幕效率的高低后，通常采取在低效率水幕孔周圍增加與其平行的附加水幕孔的方法來提高該區(qū)域的水幕效率，經(jīng)過上述分析，僅通過這種方法并不能夠有效增加低效率區(qū)的水幕效率，由于這些低效率水幕孔所揭露的裂隙的延伸方向多與水幕孔縱軸方向相一致或成低角度交叉，不能貫穿所有水幕孔，從而導(dǎo)致該孔的水幕效率很低。因此，可以考慮增加與低效率水幕孔縱軸方向垂直的附加水幕孔或?qū)υ械托仕豢走M(jìn)行注漿封堵連通氣相的裂隙，并對其進(jìn)行再鉆探的方式，可能會大大提高低效率區(qū)的水幕效率。

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Application of Well Test Theory to the Efficiency Tests of
Water Curtain in Cavern

ZHANG Long,CHEN Gang,HU Cheng

(SchoolofEnvironmentalStudies,ChinaUniversityofGeosciences,Wuhan430074,China)

Groundwater caverns built in rock mass of low permeability require water tightness of curtain system，and the efficiency of single water curtain hole and water curtain system is the important standard of the tightness of groundwater caverns.Through efficiency tests of water curtain,we can get the permeability parameters of cavern rock,predict the efficiency of water curtain holes and design programs to improve the efficiency.Well test theory uses the measured pressure recovery curve and the pressure derivative curve to identify and select the model and conducts fitting with the standard curve,which can capture keenly the small flow state and explain accurately the results.By using the theory to analyze the efficiency tests of water curtain in caverns,this paper draws the following conclusions:well test theory can be used to obtain the permeability parameters of rock mass of low permeability accurately,predict the efficiency of the water curtain bore holes and improve the efficiency of inefficient ones effectively, and thus provide technical support for the program design.Key words:well test theory;groundwater cavern; water curtain bore hole; rock mass of low permeability;permeability parameter; efficiency test of water curtain

謝先軍(1979— )，男，副教授，主要從事水文地球化學(xué)方面的研究。E-mail:xianjun.xie@gmail.com

1671-1556(2015)01-0007-04

2013-03-24

X143;P641.2;TE822

A

10.13578/j.cnki.issn.1671-1556.2015.01.002

修回日期：2014-12-03 作者簡介：張 龍(1988—)，男，碩士研究生，主要研究方向為水文地質(zhì)與工程地質(zhì)。E-mail：marvel0123@126.com