CN109854231A - 一种确定多层含水层混合抽水等效井半径的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种确定多层含水层混合抽水等效井半径的方法，是基于现场钻孔岩心层位分析，通过真实的多层含水层地下水流通过相应的钻孔过水断面来综合确定一个等效井半径的方法，即分别求出每一段含水层的过水断面面积，累加成一个整体的有效过水总面积，此时有效厚度为含水层的累加厚度，进而在钻孔整个深度上，确定出多层含水层抽水井的等效井半径。可解决多含水层联合抽水渗透系数求取或是在已知平均渗透系数时预报涌水量的问题；与工程中常用的等效体积法相比，该方法能真实地反映地下水运动情况和机理，比等效体积法更能反映实际，更为精确有效。

Description

一种确定多层含水层混合抽水等效井半径的方法

技术领域

本发明属于地下水资源开发利用领域，具体涉及一种确定多层含水层混合抽水等效井半径的方法。

背景技术

现有含水层参数都是通过单一含水层进行抽水试验来获取水文地质参数，然而在实际生产中，如水源勘探孔，由于深度较大，常常深达几百米甚至上千米，穿越了多个含水层(段)，此时，进行抽水试验时，若一个含水层一个含水层的进行，则当主含水层抽水时，需要对其它含水层变径止水，工艺复杂，废时废钱也废力。而生产实际中为扩大涌水量常采用多含水层联合抽水，钻孔在不同的含水层根据需要采取变径方式，然后，多级离心泵下至一定深度进行大流量联合抽水，此种情况下，多含水层流量和水位关系如何，如何运用已有的地下水井流解析公式来进行水资源预测和评价，如何确定多含水层、不同井半径条件下的等效井半径则成了非常困难的一件工作。

为了简化，目前生产单位常用等效体积法来求算等效井半径，就是把各含水层变径的钻孔空间体积换算成同一孔径相同钻孔深度的体积，换算得到的同一孔径即当作等效井半径，以此来预报多含水层联合抽水流量。显然，这种方法的缺点是简单的把钻孔空间都当作均一进水空间，简单的把参与计算的所有岩层都当作含水层，不能正确反映地下含水层真实层位状况。同时半径在体积表达式中为平方项从而相对降低了含水层厚度的影响，不能正确反映地下水在含水层中运动情况和动态变化规律的基本事实。事实上，其计算结果在精度上也无法保证。

发明内容

鉴于上述现有技术存在的不足，本发明提供了一种确定多层含水层混合抽水等效井半径的方法，以解决现有技术中求算等效井半径精确度低，导致抽水试验涌水量预报和水文地质参数求取精确度不高以及对地下水运动情况和机理不能正确真实反映的问题。

为了解决上述技术问题，本发明采取如下技术方案：一种确定多层含水层混合抽水等效井半径的方法，抽水钻孔穿越多层含水层，且经过若干变径，根据各含水层与钻孔接触的面积称为过水断面，分别求出每一层含水层的过水断面面积，累加成一个整体的有效过水断面总面积，该有效过水断面总面积除以含水层整体厚度与2π的乘积，即得到一个等效的井半径，具体包括如下步骤：

1)确定变径抽水钻孔的每段变径半径r_i和每段岩层中含水层厚度M_i；

2)确定每一层含水层与钻孔接触的面积，即每一层含水层过水断面面积S_i；

3)确定是否需要封堵某些或者某个含水层；

4)将变径抽水钻孔通过的各个过水断面面积S_i相加求得有效过水断面的总面积∑S_i，若需要封堵某些或者某个含水层时，总面积S_i中要扣除被封堵含水层相对应的过水断面面积S_i；

5)将上述参数代入公式r等＝∑S_i÷[2π∑M_i]中，计算出等效井半径r等。

进一步地，步骤1)中所述每段变径半径r_i通过钻孔管径D来确定(为其一半)，所述含水层厚度M_i通过钻孔岩心分析或用钻孔测井方法得出。

进一步地，步骤2)中每一层含水层过水断面面积S_i通过通式S_i＝2πr_iM_i计算得出，其中i表示第i层含水层，i＝1，2，3，……n。

进一步地，步骤3)中若需要封堵某些或者某个含水层时是通过套管或止水材料封堵。

进一步地，步骤4)中若不封堵含水层，i＝1，2，3，……n，∑S_i＝S₁+S₂+……+S_n,，若封堵第j或k层含水层，则扣除相应S_j或S_k，余下各项相加得出∑S_i。

进一步地，步骤5)中∑M_i为若干段岩层中含水层总厚度，i＝1，2，3，……n，∑M_i＝M₁+M₂+……+M_n，若需要封堵封堵某些或者某个含水层，则应扣除相应含水层的厚度M_i。

进一步地，所述r_i，在当i＝1，2，3，……n，r₁、r₂、……r_n均相等时，则为不变径抽水钻孔同样适用等效井半径r_等公式。

与现有技术相比，本发明有益效果为：

该方法能够根据钻孔实际穿过若干含水层的条件来综合确定较为精确的等效井半径，使抽水试验涌水量预报和水文地质参数求取较为准确真实，并能正确真实反映地下水运动情况和机理；而且该方法将为稳定流条件下已知平均渗透系数来预报多层含水层涌水量或已知涌水量条件下来计算平均渗透系数等提供精确的科学计算依据。

附图说明

图1为本发明钻孔结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明进行进一步说明。

如图1所示，图中有若干个含水层，首先依钻孔岩心分析或用钻孔测井方法得到含水层的厚度，假设含水层厚度分别为M₁、M₂、……M_i、……M_n，其对应每一层含水层的过水断面面积分别为S₁、S₂、……S_i、……S_n，含水层与相邻隔水层的厚度分别为M₁'、M₂'、……M_i'、……M_n'，其对应的体积相应为V₁、 V₂、……V_i、……V_n，其中r₁、r₂、……r_i、……r_n分别为钻孔的半径，它们可相等，也可不等，不等则说明发生了变径。为了更好理解，采用将现有技术体积等效法和本发明实施例方法对比着叙述，更体现本发明的有益效果。

现有体积等效法计算等效井半径方法：

则依体积等效有，亦即 从而求得

采用确定多层含水层混合抽水等效井半径(有效过水断面法)的方法计算：

S₁＝2πr₁M₁，S₂＝2πr₂M₂，……，S_i＝2πr_iM_i，……，S_n＝2πr_nM_n，

∑S_i＝S₁+S₂+……+S_n，

∑M_i＝M₁+M₂+……+M_n，

从而求得r等＝∑S_i÷[2π∑M_i]，(i＝1,2,3，……n)

由以上公式计算出等效井半径，进一步可解决多含水层联合抽水试验参数求取的问题。

下面以淄博博山区谢家店XK1钻孔现场稳定流抽水试验为例，结合具体的实验数据来验证该方法的可实施性和效果。

该钻孔为三次钻孔变径，其位于谢家店村东大桥北300米河东，井深353.15m，共分为四级口径：开孔口径426mm，变径深度在0～16.3m；二级口径377mm，变径深度在16.3～105.9m；三级口径325mm，变径深度在105.9～250.2m；四级口径273mm，变径深度在250.2～353.15m。揭露地层O₂b、O₂d、∈₄O₁s、其中包含12个含水层，13个隔水层，含水层总厚度为50.29m。

因套管下到第二层，即抽水从第三段开始，计算有效过水断面总面积和含水层整体厚度不包括第一、二段。

先采用现有技术计算方法，即生产单位常用的等效体积法计算结果如下：

表1体积等效法计算结果

∑V＝V₃+V₄＝18.0m³M_总＝M₃'+M₄'＝247.25m

注：M₃'、M₄'分别为第3、4段岩层的厚度(包括含水层和隔水层)；r₃、r₄分别为第3、4段钻孔的半径。

通过等效体积法计算求得等效井半径r_体等为152.23mm，再根据等效井半径和XK1特征钻孔的抽水资料运用流场稳定时的如下两个地下水动力学公式:

式中：K—渗透系数(m/d)，Q—稳定涌水量(m³/d)

M—含水层总厚度(m)，S—抽水孔稳定水位降深(m)

r—抽水孔等效井半径(m)，R—抽水影响半径(m)

运用迭代法求得渗透系数K为4.510m/d。

相应地我们再采取本发明提供的一种确定多层含水层混合抽水等效井半径的方法，包括如下步骤：

1)确定变径抽水钻孔的每段变径半径r_i和每段岩层中含水层厚度M_i，所述每段变径半径r_i通过钻孔的钻的半径确定，所述含水层厚度M_i通过钻孔岩心分析或用钻孔测井方法得出；

2)确定每一层含水层与钻孔接触的面积，即每一层含水层过水断面面积S_i，每一层含水层过水断面面积S_i通过通式S_i＝2πr_iM_i计算得出，其中i表示第i层含水层,i＝1,2,3，……n；

3)确定是否需要封堵某些或者某个含水层，若需要封堵某些或者某个含水层时是通过套管封堵；

4)将变径抽水钻孔通过的各个过水断面面积S_i相加求得有效过水断面的总面积∑S_i＝S₁+S₂+……+S_n，i＝1,2,3，……n，若需要封堵某些或者某个含水层时，总面积S_i中要扣除被封堵含水层相对应的过水断面面积S_i；

5)将上述参数代入公式r_等＝∑S_i÷[2π∑M_i]中，计算出等效井半径r_等，∑M_i为若干段岩层中含水层总厚度，i＝1,2,3，……n,∑M_i＝M₁+M₂+……+M_n，若需要封堵封堵某些或者某个含水层，则应扣除相应含水层的厚度M_i。

本发明实施例i＝1,2,3,4,按上述步骤得出如下：

表2有效过水断面法计算结果

S₃＝2πr₃M_3总＝33.55m²,S₄＝2πr₄M_4总＝4.73m²∑S＝S₃+S₄＝38.28m²∑M＝M_3总+M_4总＝38.37m r等＝∑S÷[2π∑M]

注：M_3总、M_4总分别为第3、4段整体含水层的厚度；S₃、S₄为第3、4段所有含水层的过水断面面积；r₃、r₄分别为第3、第4段钻孔的半径。

通过过水断面法计算求得等效井半径r_等为158.78mm，再根据等效井半径和XK1特征钻孔的抽水资料用迭代法求得渗透系数K为4.485m/d。

等效半径的相对误差n₁以过水断面为基准则相对误差如下：

渗透系数的相对误差n₂以过水断面法为基准则相对误差如下：

由以上对比可以得出，运用体积等效法所示得的影响半径略小于过水断面法所求的结果，而前者所求的渗透系数略大于后者。尽管此次稳定流抽水试验结果，计算结果相差不大，但却说明了体积等效法的局限，一是计算的影响半径偏小，不利于正确反映水资源开采的影响范围；二是渗透系数偏大，容易产生岩石导水性好、孔隙比较发育的错误认识。特别地，从根本上，体积等效法是一种简单的数据处理方法，这种方法的缺点是简单的把钻孔空间都当作均一进水空间，简单的把参与计算的所有岩层都当作含水层，不能正确反映地下含水层真实层位状况。同时半径在体积表达式中为平方项从而相对降低了含水层厚度的影响，不能正确反映地下水在含水层中运动情况和动态变化规律的基本事实。事实上，其计算结果在精度上也无法保证。

因此，与生产实际中常用的等效体积法相比，本发明实施例方法(过水断面法)更能真实地反映地下水运动情况和机理，比等效体积法更能反映实际，更为精确有效。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种确定多层含水层混合抽水等效井半径的方法，抽水钻孔穿越多层含水层，且经过若干变径，分别求出每一层含水层的过水断面面积，累加成一个整体的有效过水断面总面积，该有效过水断面总面积除以含水层整体厚度与2π的乘积，即得到一个等效的井半径，所述过水断面是指所述含水层与钻孔接触的面积，包括如下步骤：

1）确定变径抽水钻孔的每段变径半径r_i和每段岩层中含水层厚度M_i；

2）确定每一层含水层与钻孔接触的面积，即每一层含水层过水断面面积S_i；

3）确定是否需要封堵某些或者某个含水层；

4）将变径抽水钻孔通过的各个过水断面面积S_i相加求得有效过水断面的总面积 ∑S_i，若需要封堵某些或者某个含水层时，总面积S_i中要扣除被封堵含水层相对应的过水断面面积S_i；

5）将上述参数代入公式r等=∑S_i÷[2π∑M_i]中，计算出等效井半径r等。

2.根据权利要求1所述的一种确定多层含水层混合抽水等效井半径的方法，其特征在于：步骤1）中所述每段变径半径r_i通过所施工钻孔管径确定，所述含水层厚度M_i通过钻孔岩心分析或用钻孔测井方法得出。

3.根据权利要求1所述的一种确定多层含水层混合抽水等效井半径的方法，其特征在于：步骤2）中每一层含水层过水断面面积S_i通过通式S_i =2πr_iM_i计算得出，其中i表示第i层含水层，i＝1，2，3，……n。

4.根据权利要求1所述的一种确定多层含水层混合抽水等效井半径的方法，其特征在于：步骤3）中若需要封堵某些或者某个含水层时是通过套管或止水材料封堵。

5.根据权利要求1所述的一种确定多层含水层混合抽水等效井半径的方法，其特征在于：步骤4）中若不封堵含水层，i＝1，2，3，……n，∑S_i＝S₁+S₂+……+S_n,，若封堵第j和k层含水层，则扣除相应S_j和S_k，余下各项相加得出∑S_i。

6.根据权利要求1所述的一种确定多层含水层混合抽水等效井半径的方法，其特征在于：步骤5）中∑M_i为钻进岩层中若干段含水层总厚度，i＝1，2，3，……n，∑M_i＝M₁+M₂+……+M_n，若需要封堵封堵某些或者某个含水层，则应扣除相应含水层的厚度M_i。

7.根据权利要求1至6中任一所述的一种确定多层含水层混合抽水等效井半径的方法，其特征在于：所述r_i，在当i＝1，2，3，……n，r₁、r₂、……r_n均相等时，则为不变径抽水钻孔，同样适用等效井半径r等公式。