Файл: Климентов П.П. Динамика подземных вод учеб. для геологоразведоч. техникумов.pdf

коэффициентов фильтрации получают в результате проведения опытно-фильтрационных и лабораторных работ [34, 65, 67, 68].

Из формулы (II, 8) коэффициент фильтрации может быть вы­ ражен как расход, если при этом принять F= 1 и /= 1, т. е. Q= k.

Следовательно, коэффициент фильтрации возможно охаракте­ ризовать как количество воды, проходящее в единицу времени че­ рез поперечное сечение пористой среды, равное единице, при на­ порном градиенте, также равном единице.

Ранее считалось, что коэффициент фильтрации зависит только от свойств пористой среды, а характер фильтрующейся жидкости на его величину не влияет. Однако впоследствии было установлено, что коэффициент фильтрации отражает не только пропускную спо­ собность пород, но и фильтрационные свойства самих жидкостей [8, 67, 94, 107].

Коэффициент водопроводимости. На практике для характери­ стики фильтрационных свойств водонасыщенных пород наряду с коэффициентом фильтрации k используется коэффициент водопро­ водимости Т, равный произведению коэффициента фильтрации на мощность водоносного горизонта T = km, или T = kh, где m или h — средняя мощность напорного или безнапорного водоносного гори­ зонта. Размерность коэффициента водопроводимости м2/сут. Ко­ эффициент водопроводимости выражает способность водоносного горизонта (комплекса) мощностью m или h и шириной 1 м филь­ тровать воду в единицу времени при напорном градиенте, равном единице.

Из сказанного следует, что коэффициенты фильтрации и водо­ проводимости определяют количественную характеристику водо­ проницаемости горных пород. Водопроницаемость горных пород, как уже отмечалось, зависит от многих факторов: пористости по­ род, их структуры, текстуры, степени засоленности, процессов взаимодействия между водой и горными породами, вязкости и объемного веса воды. Минералогический состав рыхлых пород так­ же оказывает влияние на их водопроницаемость, так как глини­ стые минералы способствуют набухаемости пород и тем самым снижению их водопроницаемости.

Коэффициент фильтрации широко используется при решении самых разнообразных гидрогеологических задач, когда объектом изучения является движение однородных по своим свойствам под­ земных вод. При изучении условий движения разнородных жидко­ стей (вода — нефть) или подземных вод глубоких водоносных го­ ризонтов, характеризующихся газонасыщенностью, повышенной температурой, высокой минерализацией и изменением этих свойств,

использование коэффициента фильтрации может привести при расчетах к значительным неточностям. Достаточно сказать, напри­ мер, что коэффициент фильтрации одной и той же горной породы принимает разные значения в зависимости от того, что фильтрует­ ся: пресная вода или рассолы, нефть или газ. В таких случаях для характеристики фильтрационных свойств горных пород исполь­ зуется коэффициент проницаемости.

Коэффициент проницаемости. Под проницаемостью понимается свойство пористой среды пропускать через себя жидкость или газ при наличии перепада напоров. Коэффициент проницаемости тео­ ретически не зависит от свойств фильтрующейся жидкости и опре­ деляется главным образом размером и характером каналов пори­ стой среды; коэффициент проницаемости характеризует только фильтрационные способности пористой среды, в то время как ко­ эффициент фильтрации зависит еще и от физических свойств филь­ трующейся жидкости. Поэтому использование коэффициента про­ ницаемости позволяет в определенной степени разделить фильтра­ ционные свойства жидкости от фильтрационных свойств пористой среды. Наиболее широко коэффициент проницаемости использует­ ся в нефтяной гидрогеологии.

Коэффициент проницаемости ka связан с коэффициентом фильт­

коэффициент вязкости в Г/см • с; ѵ — кинематический коэффициент вязкости.

из которого нытекает его размерность и физический смысл.

В системе CGS размерность величин, входящих в формулу

Следовательно, коэффицент проницаемости выражается в квад­ ратных сантиметрах, т. е. имеет размерность площади.

Для горных пород единица проницаемости, выраженная в квад­ ратных сантиметрах, слишком велика; поэтому для расчетов при­ нята величина, приблизительно в ІО8 раз меньшая, названная

дарси.

За единицу проницаемости пористой среды принимается про­ ницаемость такого ее образца, который имеет длину 1 см, площадь поперечного сечения 1 см2 и через который при падении давления на одну техническую атмосферу протекает 1 см3]с жидкости вяз­ костью в 1 сантипуаз (спз). Эта единица проницаемости называет­

Число 1,02-10“8 см2 принимается за 1 дарси (д).

В соответствии с физической природой коэффициента проницае­ мости результаты определения последнего не должны зависеть от того, какая однородная жидкость или газ (вода, нефть, бензин, воздух и др.) пропускались через образец горной породы. На прак­ тике, однако, проницаемость горной породы оказывается несколь­ ко разной в зависимости от фильтрующейся жидкости, что объяс­ няется взаимодействием фильтрующейся жидкости с горной поро­ дой. В настоящее время следует считать установленным, что проницаемость одних и тех же горных пород при отсутствии их взаимодействия с фильтрующейся жидкостью одинакова для раз­ личных жидкостей. Вместе с тем отмечается повышенная проницае­ мость при движении через пористую среду газов по сравнению с фильтрацией жидкости (см. 8, 30а, 73, 91 и др.].

Пласты, коэффициент проницаемости которых измеряется еди­ ницами или десятыми долями дарси, считают хорошо проницаемы­ ми; если же коэффициент проницаемости измеряется сотыми до­ лями дарси (т. е. несколькими сантидарси), то проницаемость пласта считается слабой; наконец, породы с проницаемостью толь­ ко в несколько тысячных долей дарси (т. е. в несколько миллидарси) считаются плохопроницаемыми. Часто в пределах одного и того же пласта приницаемость резко изменяется как по простира­ нию, так и по мощности. Обычно вдоль напластования проницае­ мость пластов больше, чем перпендикулярно поверхности наплас­ тования [110].

Переход от коэффициента проницаемости ka к коэффициенту фильтрации воды k осуществляется на основе выражения (11,28). Для пресных подземных вод при температуре 5—20° С проницае­ мость в 1 дарси примерно соответствует коэффициенту фильтра­ ции 0,85 м/сут.

Приведем пример определения коэффициента проницаемости и коэффициента фильтрации по данным В. Н. Щелкачева и Б. Б. Лапука [110].

П р и м е р . Определить значение коэффициента проницаемости ka и коэффициента фильтрации k для песчаного образца породы на основе следующих данных: длина образца AL = 20 см; площадь по­

коэффициент вязкости жидкости jj,'=6,9 спз; объемный вес жидко­ сти у = 0,862-10~3 кГ/см3.

Вначале по формуле (11,32) найдем величину коэффициента проницаемости, пользуясь смешанной системой единиц, применяе­ мой в подземной гидравлике:

По формуле (11,28) рассчитаем коэффициент фильтрации в смешанной системе единиц:

1,406 X Ю"8Х 0,862X981

1,723 X 10"4 см/с.

0,069 '

Установившееся и неустановившееся движение подземных вод.

Фильтрация подземных вод в пористой или трещиноватой среде горных пород может иметь установившийся или неустановившийся характер. Строго говоря, движение подземных вод в горных по­ родах всегда является в той или иной мере неустановившимся, т. е. переменным во времени. Неустановившееся движение прояв­ ляется в изменениях уровня подземных вод, что обусловливает изменения напорных градиентов, скоростей фильтрации и расхода