試井理論在洞庫水幕效率試驗中的應用

張 龍，陳 剛，胡 成

(中國地質大學(武漢)環境學院，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用

張 龍，陳 剛，胡 成

(中國地質大學(武漢)環境學院，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保證密封性，而單水幕孔及整個水幕系統的效率高低是判斷地下水封洞庫密封性的重要標準。通過水幕效率試驗，可以獲取洞庫巖體的滲透性參數，預測水幕孔效率，并設計提高水幕系統效率的方案。運用試井理論以實測壓力恢復曲線和壓力導數曲線來識別和選擇模型，用標準曲線進行擬合，能夠將非常微小的地下水流動狀態敏銳地捕捉，并進行準確地解釋。將該理論應用到洞庫水幕效率試驗中，結果表明：其解釋資料可準確獲取低滲透性巖體的滲透性參數，有效預測水幕孔效率，提高低效率孔水幕效率，為地下水封洞庫水幕系統方案設計提供技術支持。

試井理論；地下水封洞庫；水幕孔；低滲透性巖體；滲透系數；水幕效率試驗

地下水封洞庫常選址在低滲透性巖體中，水幕系統是保證水封洞庫密封性的重要組成部分，準確獲取低滲透性巖體的滲透性參數一直是地下水封洞庫水幕系統研究的重點[1-3]。依照國內的規范標準，水幕孔揭露的低滲透性巖體的滲透系數獲取難度很大,而單水幕孔及整個水幕系統的效率高低是判斷地下水封洞庫密封性的重要標準，目前能夠評判水幕系統效率的試驗方案及數據處理技術尚無相關研究報道。

試井理論自20世紀誕生以來，經過長時間的發展，已從簡單的地層壓力推算發展到了現代試井解釋。現代試井解釋主要采用壓力雙對數曲線和壓力導數雙對數曲線的復合解釋圖版進行擬合分析[4]。對于一般壓力分析不明顯、常被忽略的微小變化，壓力導數雙對數曲線能夠將其放大，使其具有明顯的反應，從而可以進行正確判斷和解釋。如某些在壓力雙對數曲線上并沒有什么明顯特征的流動狀態，在壓力導數雙對數曲線上卻有非常明顯的特征。特別對于非均質地層，壓力導數雙對數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確、容易[5]。因此，在地下水封洞庫的水幕系統中，對水幕孔進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的主要試驗手段，也是現代試井解釋方法的試驗數據來源。該試驗操作簡單，并能夠準確獲取壓力、流量測試數據，同時結合相關信息，可以解決許多問題，如準確獲取低滲透性裂隙巖體的滲透性參數，有效預測水幕孔及水幕系統效率高低，為制定提高水幕系統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，重點介紹現代試井解釋方法在地下水封洞庫水幕孔效率試驗中的應用。

1 儲存巖體的滲透性參數反演

在地下水封洞庫的水幕系統中，施工有多種形態的水幕孔，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。目前國內外對于垂直水幕孔的研究較多，并且利用垂直水幕孔進行水文地質試驗求取水文地質參數的方法以及數據處理手段較為成熟，與水平面有一定角度的傾斜水幕孔可以經過某種等效轉化為垂直水幕孔來處理，而對于水平水幕孔的水文地質試驗及水文地質參數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勢[6-7]，因此近些年來引起了人們的廣泛關注[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]推導出的一系列預測水平平硐涌水量的解、Goodman等[16]在假設海水水面的降深忽略不計的前提下推導出的穩定流條件下海底隧道涌水量公式。Kawecki[17]根據水平井中地下水流流態變化情況，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據最大的瓶頸在于各個流態的識別，Zuber等[18]通過假設各個流態的持續時間，應用不同的解析模型求解驗證，并且與實測曲線進行擬合，進而對水平井地下水流各流態進行了識別，但識別過程繁瑣、結果不唯一、操作性差。運用現代試井解釋方法，結合計算機軟件，可以自動識別水平井地下水流各流態特征，擬合特征曲線，從而準確獲取低滲透性巖體的滲透性參數。

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運用現代試井解釋方法進行處理分析，可得到該孔在穩定壓力0.79 MPa條件下連續注水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研究中，水幕孔的水幕效率高低是進行多水幕孔聯合效率試驗的主要獲取參數，運用現代試井解釋方法，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行研究，能夠有效預測水幕孔及水幕系統的效率高低。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行分析，其分析結果見表1。圖2為各水幕孔的平面位置圖。

對表1相關項目說明如下：

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

水幕孔效率：多水幕孔聯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數雙對數曲線與擬合曲線完全擬合；“較好”表示實測壓差和壓差導數雙對數曲線與擬合曲線部分擬合。

井筒儲集階段導數曲線擬合效果：“很好”表示在井筒儲集階段，壓差導數雙對數曲線與擬合曲線完全擬合；“較好”表示在井筒儲集階段，壓差導數雙對數曲線與擬合曲線部分擬合。

是否存在雙重介質間滲流過渡段：“是”表示在壓力解釋圖版上存在雙重介質間的滲流過渡段，反映水幕孔揭穿了軟件可識別的導水裂隙，在壓力解釋圖版上表現為壓差導數雙對數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中時間對數坐標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水裂隙的重要指標；“否”表示在壓力解釋圖版上不存在雙重介質間的滲流過渡段，即不存在壓差導數雙對數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”表示在壓力恢復過程中，當井筒儲集系數發生變化時，在壓力解釋圖版上表現為壓差導數雙對數曲線在井筒儲集階段的拱頂偏移或拱頂不光滑，如圖3中時間對數坐標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；“否”表示在壓力恢復過程中，井筒儲集系數未發生變化。

分析表1可以發現，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中，影響水幕孔滲透性的關鍵因素是裂隙的發育情況與發育程度，很顯然，隨著滲透系數的增大，該水幕孔揭穿的裂隙會相應增多，但不是所有的裂隙都具有導水功能，在試井軟件能夠解譯的精度范圍內，討論壓差導數雙對數曲線是否存在雙重介質間的滲流過渡段顯得尤為重要。由表1可以看出，在滲透系數較高的水幕孔LWC2-E12、LWC1-E8、LWC1-E9中全部出現了該過渡段，說明這三個孔的導水裂隙發育較多且較好。

在試驗回落階段，很多裂隙既充當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了變井筒儲集階段；LWC2-E12水幕孔雖然滲透系數較大，卻未出現變井筒儲集階段，說明裂隙的存在并未參與導氣功能，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，也正是由于該原因，導致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應與LWC2-E12水幕孔很接近，通過對比注水回落試驗的分析結果，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數量級全部為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水又導氣，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應與LWC1-E8和LWC1-E9水幕孔的滲透系數差異很大，而與其相鄰的水幕孔LWC1-E10和LWC1-E7的滲透系數均比LWC1-E8和LWC1-E9水幕孔的滲透系數小一個數量級，以上推理得到了驗證。

隨著裂隙導水能力的降低，雙重介質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，該水幕孔的壓力圖版解譯曲線未出現雙重介質的滲流這一過渡段，但在井筒儲集階段卻出現了變井筒儲集現象，證明該孔所揭穿的裂隙只能導氣不能導水，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間的滲流作用和變井筒儲集階段均未出現，理應僅為低滲透性介質內部地下水的滲流作用，在這種情況下，這四個水幕孔應當均為高效率水幕孔，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氣不導水的低角度裂隙，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水幕孔效率高低的關鍵因素，若低滲透性巖體發育完整，無裂隙發育，屬單一孔隙介質模型，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系，則會增加水幕孔及水幕系統的水幕效率；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，進水量反而越少的原因。掌握以上規律后，便可在注水回落試驗分析結果的基礎上，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的水幕效率高低。

3 結論與思考

(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的設計施工至關重要，運用現代試井解釋方法可以準確獲取低滲透性巖體的滲透性參數。

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

(3) 低效率水幕孔由其揭穿裂隙的發育類型所致，當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域的水幕效率，經過上述分析，僅通過這種方法并不能夠有效增加低效率區的水幕效率，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對原有低效率水幕孔進行注漿封堵連通氣相的裂隙，并對其進行再鉆探的方式，可能會大大提高低效率區的水幕效率。

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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與工程地質。E-mail：marvel0123@126.com