低滲透地層水平井滲流規(guī)律的模型試驗(yàn)*

余 莉 何計(jì)彬 葉成明 李小杰 李國偉 張 鈺

(①河北大學(xué)建筑工程學(xué)院， 河北省土木工程監(jiān)測與評估技術(shù)創(chuàng)新中心， 保定 071002， 中國)

(②中國地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心， 天津 300309， 中國)

0 引 言

水平井廣泛應(yīng)用于低滲透地層的地下水、油氣田開采，迄今為止，世界上的水平井?dāng)?shù)已超過2萬口，已形成用水平井開采油氣田較大的工業(yè)規(guī)模。水平井以垂直于地下儲層流體流向近似水平的方式將開采井管長距離鋪設(shè)于地層中，可獲得比垂直井大幾倍甚至幾十倍的匯流面積，以提高產(chǎn)能與采收率； 水平井開采地下水流體是一個涉及地質(zhì)、滲流、管流等多方面較復(fù)雜的系統(tǒng)工程，其抽取時的滲流特征研究也成為提高流體產(chǎn)能的關(guān)鍵因素之一。由于對低滲透地層水平井開采滲流規(guī)律特征的認(rèn)識匱乏，對水平井的流體產(chǎn)能未達(dá)到高效的開采，造成了大量的浪費(fèi)。

目前，國內(nèi)外專家對低滲透地層滲流特征的研究方面也進(jìn)行了一系列的研究。在低滲透的室內(nèi)試驗(yàn)和理論研究方面，Teng et al. (2019)通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，觀察了符合非達(dá)西流動規(guī)律的煤層氣滲流行為，并基于有限元方法，定量研究了煤的滲透性和產(chǎn)氣性對煤的吸附、傳熱傳質(zhì)和孔隙滲流特性的敏感性。Wu et al. (2018)假定部分飽和土的含水量和滲透系數(shù)服從壓力的指數(shù)函數(shù)，根據(jù)達(dá)西定律、質(zhì)量守恒定律和彈性理論，建立了描述部分飽和變形土體中地下水流動的偏微分方程。Wang et al. (2019)采用非達(dá)西滲流方程描述微乳液驅(qū)滲流規(guī)律，考慮了閾值壓力梯度的變化，通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)確定了非達(dá)西滲流方程的相關(guān)系數(shù)。Li et al. (2017)以滲流理論為基礎(chǔ)，建立了不同井型瓦斯流量的數(shù)學(xué)模型，該方法指導(dǎo)了頁巖氣開發(fā)中不同類型井不同組合井之間的合理井距的確定。羅丹等(2018)以古爾班通古特沙漠南緣為例，選取典型試驗(yàn)點(diǎn)，分別進(jìn)行現(xiàn)場滲水試驗(yàn)及室內(nèi)顆粒分析試驗(yàn)，分析了土體結(jié)構(gòu)、孔隙比、不均勻系數(shù)等與研究區(qū)粉土滲透系數(shù)的關(guān)系。侯思雨(2018)設(shè)計(jì)了一種可以實(shí)現(xiàn)一維水流的土柱裝置，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果得到土水特征曲線，并使用瞬時剖面法確定了土的非飽和滲透函數(shù)。付磊等(2017)制備不同黏粒含量的黏性土試樣開展?jié)B透及相關(guān)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明隨著黏粒含量的增加，黏性土的塑性指數(shù)呈線性增加，而滲透系數(shù)呈非線性減小，可用指數(shù)函數(shù)式擬合。袁濤(2017)通過自主研發(fā)的室內(nèi)垂直滲透儀進(jìn)行了滲透變形試驗(yàn)和側(cè)限壓縮試驗(yàn)，得出滲流宏觀規(guī)律； 利用PFC3D軟件，并與物理試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比分析，推演滲流細(xì)觀機(jī)制。曾興等(2017)采用低滲透性高嶺土模型，開展了不同水頭作用的土柱試驗(yàn)和離心模型試驗(yàn)，獲得了土柱內(nèi)部孔隙水濃度剖面和出流濃度曲線。姚陽等(2015)以南水北調(diào)中線總干渠某段黏性土為例，采用多孔抽水試驗(yàn)計(jì)算黏性土的滲透系數(shù)，并與室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比分析，探討了黏性土的滲透性。在水平井的滲流規(guī)律的研究方面，王偲(2016)針對低滲透咸水地層雙面水平井降水進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究； 宋濤(2015)認(rèn)為針對濱海沙灘地區(qū)利用水平井取水有效地保護(hù)了海洋生態(tài)； 付雷等(2015)在滄州地區(qū)進(jìn)行了水平井開采淺層弱滲透微咸水技術(shù)的研究； 王軍磊等(2014)研究了致密氣藏分段壓裂水平井產(chǎn)量遞減規(guī)律及影響因素，建立帶有矩形封閉邊界的分段壓裂水平井滲流數(shù)學(xué)模型，應(yīng)用Newman乘積、Laplace變換、相似流動替換及壓力疊加原理求解模型以得到氣井不穩(wěn)態(tài)產(chǎn)量公式； 楊正明等(2014)針對低滲/致密油藏分段壓裂進(jìn)行了水平井滲流特征的物理模擬及數(shù)值模擬分析，建立了分段壓裂水平井物理模擬實(shí)驗(yàn)方法； 劉曉旭等(2013)對頁巖氣分段壓裂水平井滲流機(jī)理及試井進(jìn)行了分析，給出了頁巖氣井生命期內(nèi)通常表現(xiàn)出的滲流形態(tài)。廉黎明等(2013)從基礎(chǔ)的滲流理論出發(fā)，總結(jié)分析國內(nèi)外有關(guān)水平井的多種滲流模型，將這些模型按照所對應(yīng)的滲流狀態(tài)分為穩(wěn)態(tài)滲流模型、擬穩(wěn)態(tài)滲流模型、非穩(wěn)態(tài)滲流模型以及井筒與地層耦合流動模型4類。孫琪皓等(2019)在總結(jié)分析了巷道變形破壞類型影響因素的基礎(chǔ)上，建立了巖體滲流-損傷-應(yīng)力耦合模型。洪勃等(2018)以黃土的滲透性作為研究示例，選取適于定量表征黃土滲透性的滲流模型，結(jié)合計(jì)算結(jié)果和滲透試驗(yàn)結(jié)果的對比探討多孔介質(zhì)毛細(xì)管滲流模型。杜星等(2020)， 段釗等(2020)對低滲透砂土液化做了相應(yīng)的分析和研究，為低滲透地層的滲流規(guī)律提供了參考依據(jù)。

綜上所述，在滲透性方面的研究，主要采用室內(nèi)實(shí)驗(yàn)、理論解析和數(shù)值模擬的方式總結(jié)了相關(guān)巖土體的滲透性規(guī)律，從巖土體的微觀結(jié)構(gòu)、土體顆粒粒徑級配等方面分析其滲透特性，并分析了其力學(xué)性質(zhì)和滲透性的關(guān)系等。針對低滲透地層水平井開采的滲流規(guī)律最常用的方法是基于數(shù)值模擬、理論計(jì)算或結(jié)合單個開采井進(jìn)行分析，且主要運(yùn)用于油、氣井開采方面。數(shù)值模擬方法和理論計(jì)算的優(yōu)點(diǎn)在于可重復(fù)性較好、成本較易控制，但主要針對均質(zhì)、各向同性的巖土體材料。盡管數(shù)值模擬和理論分析能夠較準(zhǔn)確地分析均質(zhì)地層條件下的水平井滲流規(guī)律，但由于實(shí)際地層和試驗(yàn)過程的復(fù)雜性，以及成本問題一直制約著水平井開采滲流規(guī)律的研究。

本文通過實(shí)際的低滲透地層，基于相似原理，建立水平井開采滲流仿真模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，通過預(yù)埋水平井管和微型孔隙水壓力監(jiān)測傳感器，分析在常水頭水平井降水的條件下，不同含水層厚度和不同降水位置條件下孔隙水壓力和流量的變化特征，為類似工程的水平井抽水泵位置及其適用條件提供參考依據(jù)。

1 模型試驗(yàn)概況

1.1 工程概況

針對華北平原東部淺層地下咸水開發(fā)和利用，中國地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心開展了大量相關(guān)研究工作。項(xiàng)目的施工地點(diǎn)位于河北省滄州市郊前李寨村東北向1km處。地下水位埋深1.4m左右，地層以第四系海陸相交替沉積為主，巖性為粉質(zhì)黏土、粉土、粉細(xì)砂層，顏色以灰色、灰褐色、黃褐色、黃色為主，單層厚度變化較大，為低滲透含水層和隔水層組合。圖1所示為該工程的一典型水平井軌跡圖。根據(jù)該軌跡圖建立室內(nèi)模型試驗(yàn)的模型。

圖1 水平井抽水主井軌跡圖

1.2 砂槽模型相似條件

砂槽模型試驗(yàn)，即將現(xiàn)場水文地質(zhì)實(shí)體按照一定的比例縮小成室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，采用各種監(jiān)測和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換設(shè)備讀取各滲流要素，然后將讀取的試驗(yàn)結(jié)果按照同一比例進(jìn)行放大，得到與實(shí)體相對應(yīng)的運(yùn)動要素。因?qū)嶓w模型的觀察和監(jiān)測較難做到可控性的設(shè)計(jì)和研究，因此選擇室內(nèi)模型試驗(yàn)具有重要意義。

為了保證所研究模型能夠重現(xiàn)天然滲流的真實(shí)過程，基于相似原理與滲流理論，建立滿足幾何相似、運(yùn)動相似及動力相似關(guān)系的水平井室內(nèi)滲流試驗(yàn)仿真模擬系統(tǒng)。依據(jù)水平井開采滲流仿真物理模型試驗(yàn)?zāi)康?，參閱油氣、地下水領(lǐng)域水平井開采的相關(guān)滲流理論、結(jié)合儲層顆粒粒徑及滲透性等物理力學(xué)參數(shù)及試驗(yàn)方案，設(shè)計(jì)加工了水平井開采滲流仿真模擬系統(tǒng)。

根據(jù)原型試驗(yàn)的尺寸長×寬×高為45m×23m×3m，為了減小模型邊界效應(yīng)對試驗(yàn)結(jié)果的影響，將室內(nèi)模型縮小10倍，則模型試驗(yàn)為4.5m×2.3m×Hm(H為含水層厚度，分別為60cm、79cm、94cm、113cm、123cm)(圖2)。在本文的研究中，其三維砂槽構(gòu)造如圖3所示。

圖2 試驗(yàn)原型和模型的斷面尺寸

圖3 三維砂槽構(gòu)造圖

1.3 低滲透地層與水平井抽水系統(tǒng)相似材料

原型為低滲透土層顆粒粒徑為0.02～0.03mm的低滲透黏性土。在該試驗(yàn)之前，做了一組小尺寸的原顆粒粒徑低滲透土層的模型試驗(yàn)(長×寬×高為0.45m×0.23m×0.35m)，因低滲透土層的滲透性較差、黏性較強(qiáng)，試驗(yàn)中的滲透速度較慢且無法使用抽水泵控制滲流量。因此，在選擇相似材料時，為滿足試驗(yàn)的滲流量可控要求和匹配低滲透地層的特征，選擇了0.15～0.2mm的粉細(xì)砂作為低滲透地層，其原型土粒粒徑和相似材料的顆粒粒徑級配曲線如圖4所示。從圖中可以看出，顆粒級配具有一定的差異，但可以進(jìn)行常(變)水頭和穩(wěn)定泵流量的試驗(yàn)。

圖4 原土體的顆粒級配曲線與相似材料的顆粒級配曲線

在模型試驗(yàn)之前，對原土體和相似材料的物理性質(zhì)進(jìn)行了測量如表1所示。

表1 原土體和相似材料的物理參數(shù)實(shí)測值

井管材料選用強(qiáng)度較高的PPR管，管徑為50mm。在距離底板350mm處設(shè)置一水平篩管模擬水平井，保證水面出水口位置有一定的高差。水平井位于寬度中心位置。

2 低滲透地層水平井開采的模型試驗(yàn)

2.1 模型試驗(yàn)系統(tǒng)原理及試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

2.1.1 模型試驗(yàn)系統(tǒng)原理

試驗(yàn)采用自主設(shè)計(jì)的水平井三維滲流模型試驗(yàn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要有砂槽、水平井管、孔壓監(jiān)測系統(tǒng)、供水和抽水裝置和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等組成(圖5)。試驗(yàn)原理為：針對不同的含水層厚度(調(diào)整砂層的埋置深度)，通過儲水箱注水補(bǔ)給區(qū)(保持穩(wěn)定的補(bǔ)給水頭)，將抽水管放置于水平井的不同位置(抽水管小于水平井管，通過調(diào)節(jié)其長短實(shí)現(xiàn))，保持水平井出水口的水頭不變，形成穩(wěn)定的補(bǔ)給和排泄水頭，測量其孔隙水壓力和流量變化特征。真實(shí)試驗(yàn)系統(tǒng)如圖6所示。

圖5 三維低滲透地層水平井降水滲流規(guī)律仿真系統(tǒng)裝置原理圖

圖6 試驗(yàn)系統(tǒng)外觀照片

2.1.2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

為了分析水平井降水過程中抽水位置和含水層厚度對孔隙水壓力的影響規(guī)律，設(shè)計(jì)了試驗(yàn)方案。降水位置分別為：造斜段、水平段入口、水平段內(nèi)。含水層厚度為60cm、79cm、94cm、113cm、123cm。針對不同厚度含水層進(jìn)行3個降水位置的試驗(yàn)，獲得其規(guī)律性的結(jié)論。

2.1.3 監(jiān)測方案的設(shè)計(jì)

本模型試驗(yàn)的監(jiān)測方案設(shè)計(jì)如圖7所示，共計(jì)設(shè)置32個監(jiān)測點(diǎn)，通過4條虛擬監(jiān)測線連接(為后期數(shù)據(jù)處理設(shè)置)。采用HC-25微型孔隙水壓力傳感器， 1min可以采集數(shù)據(jù)1000次，且利用數(shù)據(jù)采集儀進(jìn)行自動采集。

圖7 孔壓傳感器布置圖

2.2 模型試驗(yàn)系統(tǒng)的制作

2.2.1 砂槽的制作

根據(jù)水平井降水工程，設(shè)計(jì)了長方體的模型試驗(yàn)箱，在機(jī)械加工廠制作，運(yùn)輸至實(shí)驗(yàn)室內(nèi)安裝，為了防止側(cè)向變形，鐵板的厚度為12mm，外部用槽鋼進(jìn)行加固。

填砂采用分層裝填，填砂5cm進(jìn)行一次壓實(shí)和調(diào)平，當(dāng)填砂至35cm時，安裝Φ50mm水平篩管(圖8a)。當(dāng)填砂至45cm時，開始安裝孔壓監(jiān)測傳感器(由于實(shí)際降水為軸對稱問題，監(jiān)測儀器僅在砂槽的一側(cè)進(jìn)行了安裝)(圖8b)。然后繼續(xù)填砂至指定的厚度，將傳感器與電腦連接(圖8c)。

圖8 砂槽的制作過程

2.2.2 抽水系統(tǒng)的連接

在模擬砂槽的外側(cè)，外接水平井傾斜段，采用Φ12mm抽水管插入水平井管內(nèi)，該小型水管的長度是可調(diào)節(jié)的，它可以放置在水平井管內(nèi)的任何位置進(jìn)行抽水試驗(yàn)。將小型抽水管與數(shù)顯抽水泵入口連接，然后將抽水泵排泄口與儲水箱連接。為了保證砂槽穩(wěn)定的補(bǔ)給，采用水龍頭補(bǔ)給儲水箱的方法，將儲水箱與砂槽補(bǔ)給區(qū)連接，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的補(bǔ)給。

2.2.3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用HCSC-32數(shù)據(jù)采集儀連接32個孔壓傳感器(圖9a)，采用自行編制的數(shù)據(jù)處理軟件，可以實(shí)時采集試驗(yàn)數(shù)據(jù)(圖9b)，且該軟件可將孔壓傳感器信號直接轉(zhuǎn)換成孔隙水壓力值，可直接讀取孔隙水壓力的變化特征。

圖9 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

3 試驗(yàn)測試結(jié)果分析

3.1 不同含水層厚度與不同抽水泵位置的滲流規(guī)律分析

在進(jìn)行不同含水層厚度的滲流規(guī)律(孔壓曲線)測量時，保持補(bǔ)給區(qū)和排泄區(qū)的水頭差不變?yōu)棣=H1-H2=30cm(常水頭)。根據(jù)土力學(xué)中的伯努利方程(Bernouli D)，在低滲透的條件下，忽略其滲流速度，那么滲流中任一一點(diǎn)的總水頭可以用測壓管水頭來代替。于是，伯努利方程可以簡化為：

(1)

式中：h為總水頭(cm)；z為位置水頭(cm)；P為孔隙水壓力(kPa)；γw為水的容重(kg·cm-3)。

根據(jù)公式可知，z為位置水頭， 32個孔壓傳感器位于同一水平面上，即位置水頭相等。因此孔隙水壓力傳感器主要監(jiān)測在水平井降水過程中壓力水頭的變化情況，即為該監(jiān)測面的地下水流動特征，從壓力水頭高的位置流向壓力水頭低的位置。其砂槽剖面如圖10所示。

圖10 砂槽內(nèi)部剖面圖

根據(jù)試驗(yàn)測量的數(shù)據(jù)，得到如圖11～圖15的孔壓曲線，有以下結(jié)論：

圖11 含水層厚度60cm不同抽水泵位置的水頭曲線

圖12 含水層厚度79cm不同抽水泵位置的水頭曲線

圖13 含水層厚度94cm不同抽水泵位置的水頭曲線

圖14 含水層厚度113cm不同抽水泵位置的水頭曲線

圖15 含水層厚度123cm不同抽水泵位置的水頭曲線

(1)觀察該監(jiān)測面的孔壓監(jiān)測曲線，對于同一含水層厚度而言，抽水泵位于不同位置，其孔隙水壓力曲線具有相似性?？梢哉f明針對均質(zhì)、各項(xiàng)同性土層和小范圍內(nèi)的室內(nèi)模型試驗(yàn)較難區(qū)分不同抽水位置所引起的滲流特征的變化。

(2)觀察不同含水層厚度的孔壓曲線可以看出，孔壓曲線都是呈波浪型。針對60～123cm厚度含水層，其最低孔隙水壓力分別為0kPa、1.03kPa、1.70kPa、3.04kPa、3.51kPa，其最大孔壓分別為3.29kPa、4.50kPa、5.99kPa、6.29kPa、6.74kPa，說明隨著含水層厚度的增加，其壓力水頭增大。其最大和最小孔壓之差(Δμ)分別為3.29kPa、3.47kPa、4.29kPa、3.25kPa、3.23kPa，說明當(dāng)含水層厚度H≤94cm，Δμ隨著H增加而增大，當(dāng)含水層厚度H>94cm，Δμ隨著H增加而減小。說明水頭壓差的增大不隨著含水層厚度的增大，而是有一個極限值。

(3)觀察不同含水層厚度的孔壓曲線，地下水從高水位至低水位的流動，會在高低水位之間形成高孔壓和低孔壓的周期變化，說明在降水的過程中，在低滲透地層中存在多個分水嶺，降低了降水速度。

3.2 不同含水層厚度與不同抽水泵位置的流量測試結(jié)果

(1)針對不同含水層厚度和不同抽水泵位置的降水流量的測試結(jié)果，其變化特征如圖16所示。隨著含水層的厚度增加，當(dāng)含水層≤94cm時，流量隨著含水層厚度的增大而增大(與前面的Δμ與變化相似)。當(dāng)含水層厚度>94cm后，其流量增加幅度較小。根據(jù)最小二乘法擬合流量Q(L·min-1)和含水層厚度H(cm)的關(guān)系可得Q=-0.001×H2+0.2515×H-9.0379，R2=0.963，其含水層最小可開采厚度為約45cm，最大值約為207cm。綜上所述，當(dāng)含水層的厚度超過207cm時，在此地層和篩管口徑降水的條件下，隨著含水層的增加其流量不再增大，其有效影響范圍在本實(shí)驗(yàn)中約為207cm，隨著含水層厚度的增加流量趨于穩(wěn)定。說明水平井在低滲透、薄層開采中具有顯著的優(yōu)勢。

圖16 不同含水層厚度與不同抽水泵位置條件下的流量特征

(2)從圖16中可以看出，不同抽水位置的降水流量幾乎不變，說明在室內(nèi)模型試驗(yàn)范圍內(nèi)，抽水泵位置變化對流量大小的影響較小，流量基本不變。因此，采用均質(zhì)、各向同性材料室內(nèi)模型試驗(yàn)研究不同降水位置的滲流規(guī)律其適用性有待進(jìn)一步探討。

3.3 不同含水層厚度水平井降水的滲流規(guī)律對比分析

根據(jù)上述分析，當(dāng)抽水位置位于造斜段、水平段入口、水平段內(nèi)時，其孔壓曲線變化較小，因此，采用水平井造斜段的軸向和橫向孔壓曲線進(jìn)行說明。從圖17可以看出：

圖17 不同厚度含水層水平井造斜段孔壓曲線變化圖

(1)針對不同的含水層(在平行于水平井軸線方向)，其孔壓曲線具有類似的波浪形狀。隨著含水層厚度的增加，其孔壓曲線的起伏狀況越來越相似，說明針對低滲透地層水平井開采，其含水層厚度對孔壓和滲流特征具有較大的影響。

(2)針對不同的含水層厚度，在垂直于水平井軸線方向，從圖18可以看出，隨著含水層厚度的增加，其孔隙水壓力增大。當(dāng)含水層厚度H≤94cm時，其滲流狀態(tài)類似水平層流狀態(tài)，而當(dāng)含水層厚度H>94cm時，其滲流產(chǎn)生了波動，說明隨著含水層厚度的增加，在同一位置的降水條件下，其滲流規(guī)律受到了上覆地層自重的影響，在低滲透的條件下，存在著一定的補(bǔ)給阻力。

圖18 不同厚度含水層水平井造斜段(200cm軸線長度)孔壓曲線變化圖

4 試驗(yàn)結(jié)果討論

根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果及水平井降水原理，可知影響低滲透地層水平井開采流量和滲流特征的因素主要有：含水層厚度、地層滲透性、降水篩管結(jié)構(gòu)參數(shù)及抽水泵位置。針對垂直降水井，在中低滲透地層中較符合達(dá)西定律，而中低滲透的水平井降水是否符合達(dá)西定律？基于此，進(jìn)行相關(guān)討論。

根據(jù)達(dá)西定律，其滲透率計(jì)算公式為：

(2)

式中：K為滲透率(μm2)；A為篩管截面積(m2)；Q為流量(mL·min-1)；μ為水的動力黏度(mPa·s)； ΔP為流體通過L長度地層的前后壓力差 (10-1MPa)；L為水平井篩管長度(mm)。

采用上述公式計(jì)算得到的該低滲透地層的不同厚度含水層的流量為2.81L·min-1、 3.7L·min-1、 4.4L·min-1、 5.3L·min-1、 5.76L·min-1。對比實(shí)測水平井降水流量，有以下結(jié)論：

(1)根據(jù)達(dá)西定律計(jì)算所得到的流量與含水層厚度為線性遞增關(guān)系(圖19)，隨著含水層的增加，流量增大。將理論計(jì)算曲線與實(shí)測不同含水層厚度曲線對比可知，當(dāng)含水層厚度H≤70cm、H>135cm時，實(shí)測流量小于達(dá)西定律所計(jì)算的流量； 當(dāng)含水層厚度70cm135cm)，低滲透地層的滲流低于達(dá)西定律滲流量，其泵吸力作用有限。當(dāng)含水層厚度為70cm

圖19 根據(jù)達(dá)西公式計(jì)算的流量與實(shí)測流量的對比

根據(jù)上述分析可知，隨著抽水位置的不同，其泵吸力不同，滲流量的大小一方面受水頭壓差ΔP影響，一方面受泵吸力F的影響，在三維狀態(tài)下，泵吸力可分為3個分力Fx、Fy、Fz，垂直于管軸線的兩個分力發(fā)揮了抽水作用。根據(jù)恒定流液體動量方程F泵=ρ水QV(Q-體積、V-速度)，泵吸力F在空間的3個分量Fx、Fy、Fz，試驗(yàn)過程中泵吸力保持恒定，通過調(diào)節(jié)供給側(cè)水頭高度改變壓差試驗(yàn)過程中泵吸力保持0.5個工程大氣壓(約50kPa)。

5 結(jié) 論

通過采用自行設(shè)計(jì)和加工的水平井室內(nèi)滲流模擬試驗(yàn)，分析了不同含水層厚度和不同抽水泵位置的孔隙水壓力分布與流量特征，得到了以下結(jié)論：

(1)針對不同含水層厚度的不同抽水泵位置的孔隙水壓力曲線，其孔壓曲線具有相似性，說明針對均質(zhì)、各向同性的土層較難區(qū)分不同抽水位置的滲流特征。

(2)所測得不同含水層厚度與不同抽水泵位置的孔壓曲線都是呈波浪型。且隨著含水層厚度的增加，其孔隙水壓力也增大。但不同含水層厚度的最大和最小孔隙水壓力的差值在含水層為94cm時達(dá)到最大值，說明水平井開采較適用于薄層、低滲透開采。

(3)根據(jù)該低滲透地層和降水條件的不同含水層厚度和不同抽水泵位置的降水流量分析，當(dāng)含水層超過207cm時，隨著含水層的增加其流量不再增大，說明低滲透地層水平井開采，其含水層厚度、地層滲透性、降水篩管結(jié)構(gòu)之間存在著定量關(guān)系。

(4)根據(jù)水平井的軸向和橫向監(jiān)測孔壓曲線可知，其孔壓曲線具有類似的波浪形狀，且隨著含水層厚度增加其孔壓曲線的起伏狀況越來越類似。對比橫向孔壓曲線可知，當(dāng)含水層厚度H≤94cm時，其滲流狀態(tài)類似水平層流狀態(tài)，而當(dāng)含水層厚度H>94cm時，其滲流就產(chǎn)生了波動，形成了紊流，說明含水層的厚度對滲流具有較大的影響。

(5)對比達(dá)西公式計(jì)算的滲流量和實(shí)測水平井降水流量，根據(jù)達(dá)西定律計(jì)算所得到的流量與含水層厚度為線性關(guān)系遞增關(guān)系，隨著含水層的增加，流量增大。而實(shí)測曲線則存在著隨著含水層的增加其流量不再增加的臨界值，其滲流量不符合達(dá)西定律。主要說明了水平井降水中存在著一個泵吸力，該力F發(fā)揮了較大作用，隨著抽水泵位置不同，其泵吸力F發(fā)揮的作用也不同。