УДК 551 - Московский государственный университет

УДК 551.5
К ЮБИЛЕЮ ПРОВЕДЕНИЯ
ПЕРВЫХ ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ
Д.В. Манукьян – д-р техн. наук, проф.
ФГОУ ВПО «Московский государственный университет природообустройства»,
г. Москва Россия
В 2009 году исполняется 80 лет с начала проведения первых опытнофильтрационных исследований в нашей стране. В процессе изысканий, проводимых в
районе г. Минска (Новинковский р-н), были выполнены две откачки из достаточно
мощной водоносной толщи надморенных и межморенных песков, разделенных
супесчаными моренными отложениями.
Сроки проведения первой откачки датируются 30.11.1928 – 07.12.1928 г., второй –
05.07.1929 – 08.09.1929 г., причем основной целью этих работ являлась оценка
производительности продуктивного водоносного горизонта, а также определение
фильтрационных свойств водовмещающих отложений по формулам стационарной
фильтрации.
Организовал и провел первые в истории СССР опытно-фильтрационные работы
(ОФР) 23-летний студент Московской горной академии Герасим Богомолов. Правда,
М.А.Шолохов в 23 года писал первые главы «Тихого Дона».
Безусловный интерес представляет и вторая часть полевых исследований, которая
была связана с запуском в центральную скважину достаточно консервативного
индикатора – хлористого аммония с целью определения действительной скорости
фильтрации. Подчеркнем, что данный запуск трассера в центральную скважину и
прослеживание его миграции в наблюдательной скважине является одним из первых (если
не первым) примером проведения опытно-миграционных, так же, как и описанных выше
опытно-фильтрационных работ, в отечественной и мировой практике.
Значительный объем выполненных полевых гидрогеологических исследований
потребовал глубокого и всестороннего осмысления и анализа. Именно этой причиной
можно объяснить, что лишь в 1933 году вышла статья Г.В. Богомолова «К методике
определения производительности водоносных пластов откачкой» в трудах ВНИИ
инженерно-строительной гидротехники и инженерной геологии Госстроя ВСНХ СССР.
Следует подчеркнуть, что применение откачек впервые рассматривалось тогда для
решения именно тех задач, которые моделируются притоком воды к скважине, то есть для
оценки производительности водоносных горизонтов. Нередко в отечественной и мировой
практике интерпретация ОФР ведется однобоко, ограничиваясь лишь определением
гидрогеологических параметров, что не дает возможность установить характер граничных
условий месторождения подземных вод и, соответственно, балансовую структуру
эксплуатационного водоотбора (инверсию разгрузки, привлекаемые запасы подземных
вод и т.д.). Г.В.Богомоловым еще в 20-е годы XX столетия организация и проведение ОФР
выполнялись в соответствии с современными представлениями о структуре
фильтрационного потока, формирующегося в условиях притока к центральной скважине
совершенного типа.
Упомянутая выше работа Г.В.Богомолова отличается полнотой и глубиной
рассматриваемой проблемы. В первой части статьи дается подробный анализ
существовавших в то время теорий притока подземных вод к колодцам, опытов Дарси и
предложенного им основного закона движения подземных вод; рассматривается предел
применимости закона Дарси с учетом реальных скоростей фильтрации в пористой среде;
на основе закона Дарси приводится метод расчета притока к колодцам, разработанный
Дюпюи; анализируется теория и методика расчетов Тима; приводится понятие о
водозахватной зоне колодцев (скважин) и методы ее определения по Малишевскому, а
также теоретические разработки Смрекера, Козени и лабораторно-экспериментальные
наблюдения инженера Эренбергера.
Основной интерес, безусловно, представляет вторая часть работы, в которой на
примере изысканий в районе г. Минска иллюстрируются подробно проанализированные в
первой части теории методы оценки фильтрационных характеристик водоносных
отложений. Г.В. Богомолов дает описание физико-географических и геологогидрогеологических условий территории, анализ которых дает возможность выделить два
участка - Новинковский и Слепянский, характеризующихся двухпластовым строением
водоносной толщи. Два водоносных горизонта, представленных надморенными и
межморенными песками, разделены достаточно мощной толщей (приблизительно 20 м)
супесчаных моренных отложений. На каждом из участков пробурены по четыре
скважины, три из которых располагались в вершинах равносторонних треугольников со
стороной 120 м, а четвертая - находилась на одной из сторон треугольника на расстоянии
60 м. В опробуемых скважинах фильтры оборудовались в межморенном водоносном
горизонте, причем диаметр и длина фильтровой части составляли, соответственно, 4.5
дюйма и 10 метров (Скважины № 1 и 3), а в скважинах № 2 и 4, используемых в качестве
наблюдательных, указанные величины составляли 3.5 дюйма и 2.8 метра. Откачки
проводились из скв. № 1 и 3 четырехдюймовым центробежным насосом, а в скважинах. №
2 и 4 была проведена лишь прокачка поршневым насосом до осветления воды. Следует
подчеркнуть, что откачка была оборудована также двухсотметровым водоводом во
избежание попадания откачиваемой воды в водоносный пласт. Сроки проведения первой
откачки в Новинковском районе 30.11.1928 г. – 07.12.1928 г., второй – 05.07.1929 –
08.09.1929.
Приведенное выше столь подробное описание проведения ОФР необходимо для
того, чтобы показать, что, несмотря на достаточно ограниченные технические
возможности в те далекие годы, уровень изысканий может служить примером для
современных исследователей.
Далее в работе дается оценка фильтрационных свойств опробованных отложений по
формулам Дюпюи, Форхгеймера (с учетом несовершенства скважин) по Слихтеру и по
данным механического анализа водовмещающих отложений.
Коэффициент фильтрации (Кф), вычисленный по первым двум формулам, составил,
соответственно, 27,5 и 18,8 м/сутки, по данным механического состава – 24,1 м/сутки.
Существенное отличие Кф (почти на порядок), определенное по методу Слихтера, автором
объясняется тем, что в этом случае значение Кф характерно не для всего горизонта, а лишь
для одного прослоя. Именно по этому прослою произошел прорыв хлористого аммония,
использовавшегося в качестве индикатора, в то время как большая часть раствора была
еще в движении к наблюдательной скважине. Подчеркнем, что описанный запуск трассера
(индикатора) в скважину, для определения скорости подземных вод, является одним из
первых примеров проведения подобных работ в мировой практике.
В заключение работы по данным опытных работ строится двучленная кривая дебита
вида
S = aQ + βQ2, которая дает хорошее (с точностью ~7…10%) совпадение с
величинами понижений, вычисленными по формуле Смрекера Sm = aQ. Построенные
таким образом кривые дебита дают возможность графически определить тот возможный
дебит, который можно получить из скважин с заданным понижением.
Оценивая упомянутую выше статью, один из основателей геологической
специальности в МГА профессор Г.Ф. Мирчинк писал, что «данная работа имеет большой
теоретический и практический интерес и можно только пожалеть, что названная работа
публикуется со значительным опозданием после своего завершения» Как говорится,
комментарии излишне.
Следует отметить, что в последующие годы в общении со своими коллегами Г.В.
Богомолов старался не подчеркивать пионерный характер выполненных исследований и
достаточно редко в своих работах ссылался на данную статью; по-видимому, считая все
описанное выше весьма обычным делом.
Рассматривая данные исследования в историческом аспекте, необходимо сказать
несколько слов об истории развития опытно-фильтрационных и опытно-миграционных
работ (ОМР) в мировой и отечественной практике.
В частности, оценка проницаемости горных пород по данным откачек начала
применяться еще в 60-80-е гг. XIX столетия после публикации работ Ж. Дюпюи (1863 г.)
и А. Тима (1880 г.), использовавших теорию стационарной фильтрации и получивших
соответствующие формулы для определения притока воды к скважинам в напорных и
безнапорных пластах. И лишь в 1934 г. появилась первая работа А. Тейса, в которой была
приведена формула, описывающая приток к скважине в условиях нестационарной
фильтрации. Однако данное решение подверглось необоснованной критике и долгое
время на практике не применялось.
Следует подчеркнуть, что в последующие 40-70-е гг. XX столетия и в зарубежной и
в отечественной практике интенсивного развивались теория и практические методы
проведения опытно-фильтрационных работ.
К первым и наиболее известным исследованиям в этих областях могут быть
отнесены работы В.Д. Бабушкина (1950 г.) – по определению коэффициента фильтрации
из несовершенных скважин; Н.Н. Биндемана (1951 г.), обобщившего методы определения
проницаемости горных пород откачками, наливами и нагнетаниями; Н.Н. Веригина (1962
г.), рассмотревшего методы определения фильтрационных свойств горных пород с
использованием теории нестационарной фильтрации, а также работы Б.С. Шержукова,
Ф.М. Бочевера, В.М. Шестакова и др.
Значительный вклад в совершенствование теории нестационарной фильтрации и
методов определения проницаемости и пьезопроводности водоносных пластов в условиях
упругого режима внесли работы Л.С. Лейбензона, В.Н. Щелкачева, И.А. Чарного, Г.И.
Баренблатта и др.
В конце 70-х гг. XX столетия
появились работы по определению
гидрогеологических параметров в достаточно сложных геолого-гидрогеологических
условиях и, в частности, способы оценки водопроницаемости и мощности заиленной зоны
в руслах рек и водоемов по данным ОФР /В.Д. Бабушкин, Ф.М. Бочевер, Н.Н. Лапшин и
др./; методы определения параметров в двухслойном пласте /Н.З. Моркоса и В.М.
Шестакова, Д.А. Манукьяна и Н.З. Моркоса, В.А. Мироненко и Л.И. Сердюкова и др./;
способы определения фильтрационных и емкостных свойств сложнослоистных
водоносных пластов /В.М. Шестаков, В.А. Манукьян/ и др.
Следует отметить, что методика определения параметров двухслойной среды,
рассмотренная в работе Д.А.Манукьяна и Н.З.Моркоса, основана на точном
аналитическом решении Н. Болтона для условий безнапорного пласта с учетом эффекта
«замедленной водоотдачи». Функция скважины для указанных условий была
протабулирована Д.А. Манукьяном в 1968 г. для широкого круга входящих в нее
безразмерных переменных. Полученные в результате таблицы и построенные на их
основе эталонные кривые могут быть успешно использованы для определения параметров
безнапорного, двухслойного пласта, а также для идентификации параметров трещиноватопористой среды и напорно-безнапорных условий.
К весьма обстоятельным исследованиям монографического характера по методике
организации, проведения и интерпретации ОФР следует отнести работы Б.В. Боревского,
Б.Г. Самсонова, Л.С. Язвина «Методика определения параметров водоносных горизонтов
по данным откачек» /1973/; В.М. Шестакова и др. «Опытно-фильтрационные работы»
/1974/; В.А. Мироненко и В.М. Шестакова «Теория и методы интерпретации опытнофильтрационных работ» /1978/ и др.
Значительный вклад в развитие теории и методов определения гидрогеологических
параметров внесли работы зарубежных авторов М. Маскета, С. Джейкоба, М. Хантуша, Н.
Болтона, Ньюмана.
Менее насыщенной представляется история становления, а точнее, история
организации и проведения полевых работ по определению миграционных параметров
водоносных пластов. Необходимость в подобной информации возникла в связи с
развитием процессов засоления почв и пород зоны аэрации при оросительных
мелиорациях, загрязнением подземных вод при крупном водоотборе, при подземном
захоронении промстоков в глубокие водоносные горизонты и т.п.
Одной из первых работ теоретического характера, опубликованной Н.Н. Веригиным
в 1953 г., по-видимому, была статья «Некоторые вопросы химической гидродинамики,
представляющие интерес для мелиорации и гидротехники». Следует отметить также
исследования В.Н. Николаевского «Конвективная диффузия в пористых средах» /1959/; А.
Бана, А.Ф. Богомолова и др. «Влияние свойств горных пород на движение в них
жидкостей» /1962/; Э.А. Бондарева и В.Н. Николаевского «Перемешивание жидкостей в
осесимметричном напорном фильтрационном потоке» /1961/ и др.
Однако наибольший интерес с точки зрения проведения и интерпретации
результатов опытно-миграционных работ представляет работа В.М. Шестакова «К теории
фильтрации растворов в грунтах» /1963, послужившей теоретической и методологической
основой для полевых методов проведения указанных исследований. Дальнейшее развитие
методики опытно-миграционных работ и обработки результатов последних было
осуществлено в статьях А.А. Рошаля «Осесимметричные задачи макродисперсии в
слоистых пористых средах» /1970/ и А.А. Рошаля и В.М. Шестакова «Методика полевых
определений миграционных параметров пласта» /1970/.
Впервые в отечественной практике опытно-миграционные работы, использующие
методику постановку и проведение ОМР, изложенную в указанных выше статьях, были
осуществлены Д.А. Манукьяном и Р.С. Штенгеловым в 1970 г. для определения, в
частности, коэффициента эффективной пористости и параметра макродисперсии
опоковых отложений эоценового водоносного горизонта. Результаты выполненных
полевых ОМР были изложены в их статье «Особенности миграции подземных вод при
крупном водоотборе» /1972/.
Как было отмечено в работе В.М. Шестакова, Д.Н. Башкатова и других «Опытнофильтрационные работы» /1974/, содержащей небольшой раздел по определению
миграционных параметров водоносных пластов, «…к настоящему времени существуют
лишь единичные <полевые> определения параметров макродисперсии <и других
миграционных параметров>». К сожалению, справедливость этих слов приходится
констатировать и сейчас, то есть почти через 30 лет.
Методические особенности по организации, проведению и интерпретации
результатов ОМР с целью определения миграционных параметров пластов и, в частности,
эффективной пористости и дисперсионных свойств пласта при кустовой, при
односкважинной схеме опробования и при непрерывном запуске индикатора, при
кустовой схеме опробования по способу индикаторной волны были впервые изложены в
статье Д.А. Манукьяна и А.А. Рошаля «Определение параметров миграции для прогноза
изменения качества подземных вод при водоотборе» в 1973 г.
Обобщающие работы монографического характера по данной проблеме появились
значительно позже; к ним можно отнести работы А.А. Рошаля «Методы определения
миграционных параметров» (1980) и «Полевые методы определения миграционных
параметров» /1981/, а также работы В.А. Мироненко и В.Г. Румынина «Опытно-миграционные работы» /1986/ и «Проблемы гидрогеоэкологии» Т. 1 ,2 /1999, 2002/.
Значительный вклад в разработку теоретических основ опытно-миграционных
исследований внесли зарубежные ученые: Bear J., Frind E., Davis S., Frid Y., Ogata, Tang D.
и др. А начинались столь актуальные в настоящее время гидрогеологические
исследования более 80 лет назад.