试井理论在洞库水幕效率试验中的应用

张 龙，陈 刚，胡 成

(中国地质大学(武汉)环境学院，湖北 武汉 430074 )



试井理论在洞库水幕效率试验中的应用

张 龙，陈 刚，胡 成

(中国地质大学(武汉)环境学院，湖北 武汉 430074 )

在低渗透性岩体中建造地下水封洞库需要水幕系统保证密封性，而单水幕孔及整个水幕系统的效率高低是判断地下水封洞库密封性的重要标准。通过水幕效率试验，可以获取洞库岩体的渗透性参数，预测水幕孔效率，并设计提高水幕系统效率的方案。运用试井理论以实测压力恢复曲线和压力导数曲线来识别和选择模型，用标准曲线进行拟合，能够将非常微小的地下水流动状态敏锐地捕捉，并进行准确地解释。将该理论应用到洞库水幕效率试验中，结果表明：其解释资料可准确获取低渗透性岩体的渗透性参数，有效预测水幕孔效率，提高低效率孔水幕效率，为地下水封洞库水幕系统方案设计提供技术支持。

试井理论；地下水封洞库；水幕孔；低渗透性岩体；渗透系数；水幕效率试验

地下水封洞库常选址在低渗透性岩体中，水幕系统是保证水封洞库密封性的重要组成部分，准确获取低渗透性岩体的渗透性参数一直是地下水封洞库水幕系统研究的重点[1-3]。依照国内的规范标准，水幕孔揭露的低渗透性岩体的渗透系数获取难度很大,而单水幕孔及整个水幕系统的效率高低是判断地下水封洞库密封性的重要标准，目前能够评判水幕系统效率的试验方案及数据处理技术尚无相关研究报道。

试井理论自20世纪诞生以来，经过长时间的发展，已从简单的地层压力推算发展到了现代试井解释。现代试井解释主要采用压力双对数曲线和压力导数双对数曲线的复合解释图版进行拟合分析[4]。对于一般压力分析不明显、常被忽略的微小变化，压力导数双对数曲线能够将其放大，使其具有明显的反应，从而可以进行正确判断和解释。如某些在压力双对数曲线上并没有什么明显特征的流动状态，在压力导数双对数曲线上却有非常明显的特征。特别对于非均质地层，压力导数双对数曲线具有非常特殊的特征，因而很容易识别，使得试井解释更加准确、容易[5]。因此，在地下水封洞库的水幕系统中，对水幕孔进行单栓塞整孔的注水回落试验，是获取低渗透性裂隙岩体渗透性参数的主要试验手段，也是现代试井解释方法的试验数据来源。该试验操作简单，并能够准确获取压力、流量测试数据，同时结合相关信息，可以解决许多问题，如准确获取低渗透性裂隙岩体的渗透性参数，有效预测水幕孔及水幕系统效率高低，为制定提高水幕系统效率方案提供合理参考等。本文以烟台万华地下水封(液化石油气，LPG)洞库为例，重点介绍现代试井解释方法在地下水封洞库水幕孔效率试验中的应用。

1 储存岩体的渗透性参数反演

在地下水封洞库的水幕系统中，施工有多种形态的水幕孔，如垂直水幕孔、与水平面有一定角度的倾斜水幕孔和水平水幕孔。目前国内外对于垂直水幕孔的研究较多，并且利用垂直水幕孔进行水文地质试验求取水文地质参数的方法以及数据处理手段较为成熟，与水平面有一定角度的倾斜水幕孔可以经过某种等效转化为垂直水幕孔来处理，而对于水平水幕孔的水文地质试验及水文地质参数的求取方法研究还在不断完善中。由于水平井透水段与含水层有较大的接触面积，并且安装水平井对于含水层厚度的要求非常小，其在薄含水层或低透水性含水层中开采或排除地下水的功能比垂直井有明显的优势[6-7]，因此近些年来引起了人们的广泛关注[8-14]。国际上，对于地下水水平井井流的计算可以追溯到Hantush等对辐射井流的研究(可视为一组水平井)，早期的研究还包括Polubarinova-Kochina[15]推导出的一系列预测水平平硐涌水量的解、Goodman等[16]在假设海水水面的降深忽略不计的前提下推导出的稳定流条件下海底隧道涌水量公式。Kawecki[17]根据水平井中地下水流流态变化情况，将其依次划分为三个阶段：①垂直平面径向流(Early radial flow);②早期线性流(Early linear flow);③水平平面径向流(Late pseudo-radial flow)。但是，利用不同的解析方法求解水平井井流数据最大的瓶颈在于各个流态的识别，Zuber等[18]通过假设各个流态的持续时间，应用不同的解析模型求解验证，并且与实测曲线进行拟合，进而对水平井地下水流各流态进行了识别，但识别过程繁琐、结果不唯一、操作性差。运用现代试井解释方法，结合计算机软件，可以自动识别水平井地下水流各流态特征，拟合特征曲线，从而准确获取低渗透性岩体的渗透性参数。

LWC2-E12是烟台万华地下水封(LPG)洞库中水幕巷道中一口水平水幕孔，对该孔揭露岩体的渗透性参数运用现代试井解释方法进行处理分析，可得到该孔在稳定压力0.79 MPa条件下连续注水4 h后回落2 h的特征曲线(见图1)，通过拟合特征曲线可得到该孔揭露岩体的渗透系数K为1.4×10-6m/s。

2 水幕孔水幕效率分析

在大型地下水封洞库的水幕系统研究中，水幕孔的水幕效率高低是进行多水幕孔联合效率试验的主要获取参数，运用现代试井解释方法，针对不同水幕效率的典型水幕孔与其注水回落试验特征曲线进行研究，能够有效预测水幕孔及水幕系统的效率高低。下面对烟台万华地下水封洞库中水幕巷道中的若干水平LPG水幕孔特征曲线与水幕效率进行分析，其分析结果见表1。图2为各水幕孔的平面位置图。

对表1相关项目说明如下：

SaphirK：运用现代试井解释方法并结合软件分析求得的水幕孔揭露岩体的渗透系数。

水幕孔效率：多水幕孔联合效率试验得到的水幕孔效率。

表1 LPG水幕孔特征曲线与水幕效率分析

压力图版整体拟合效果：“很好”表示实测压差和压差导数双对数曲线与拟合曲线完全拟合；“较好”表示实测压差和压差导数双对数曲线与拟合曲线部分拟合。

井筒储集阶段导数曲线拟合效果：“很好”表示在井筒储集阶段，压差导数双对数曲线与拟合曲线完全拟合；“较好”表示在井筒储集阶段，压差导数双对数曲线与拟合曲线部分拟合。

是否存在双重介质间渗流过渡段：“是”表示在压力解释图版上存在双重介质间的渗流过渡段，反映水幕孔揭穿了软件可识别的导水裂隙，在压力解释图版上表现为压差导数双对数曲线在井筒储集阶段与垂直平面径向流阶段中间的下凹曲线，如图1中时间对数坐标0.01与1之间的下凹曲线，是衡量该水幕孔是否揭穿了软件可识别的导水裂隙的重要指标；“否”表示在压力解释图版上不存在双重介质间的渗流过渡段，即不存在压差导数双对数曲线在井筒储集阶段与垂直平面径向流阶段中间的下凹曲线。

是否存在变井筒储集：“是”表示在压力恢复过程中，当井筒储集系数发生变化时，在压力解释图版上表现为压差导数双对数曲线在井筒储集阶段的拱顶偏移或拱顶不光滑，如图3中时间对数坐标0.01与0.1之间的曲线，是判断水幕孔回落阶段是否有气体参与的重要指标；“否”表示在压力恢复过程中，井筒储集系数未发生变化。

分析表1可以发现，水幕效率高的水幕孔为渗透性最大和渗透性最小的水幕孔，而其他水幕孔全部为低效率孔，其渗透性介于两者之间。一般来说，在大型地下水封洞库低渗透性岩体当中，影响水幕孔渗透性的关键因素是裂隙的发育情况与发育程度，很显然，随着渗透系数的增大，该水幕孔揭穿的裂隙会相应增多，但不是所有的裂隙都具有导水功能，在试井软件能够解译的精度范围内，讨论压差导数双对数曲线是否存在双重介质间的渗流过渡段显得尤为重要。由表1可以看出，在渗透系数较高的水幕孔LWC2-E12、LWC1-E8、LWC1-E9中全部出现了该过渡段，说明这三个孔的导水裂隙发育较多且较好。

在试验回落阶段，很多裂隙既充当了地下水的流动通道，也为气体的流动提供了必要途径，判断水幕孔回落阶段是否有气体参与的重要指标是看该回落阶段是否存在变井筒储集阶段。由表1可以看出：在渗透系数较高的水幕孔LWC2-E12、LWC1-E8、LWC1-E9、LWC3-E3中有LWC1-E8、LWC1-E9、LWC3-E3这三个水幕孔均出现了变井筒储集阶段；LWC2-E12水幕孔虽然渗透系数较大，却未出现变井筒储集阶段，说明裂隙的存在并未参与导气功能，该孔揭穿的裂隙全部被水填充，这种情况在裂隙连通相邻供水水幕孔的情况下才会出现，也正是由于该原因，导致LWC2-E12水幕孔的水幕效率很高，如果该推理正确的话，那么相邻水幕孔的渗透系数应与LWC2-E12水幕孔很接近，通过对比注水回落试验的分析结果，其中LWC2-E9、LWC2-E10、LWC2-E11、LWC2-E12、LWC2-E13这五个水平水幕孔的渗透系数数量级全部为10-7，以上推理得到了验证；LWC1-E8和LWC1-E9这两个水幕孔所揭穿的裂隙既导水又导气，说明所揭穿的裂隙并未与其相邻供水水幕孔相连通，而且裂隙延伸位置有气体参与地下水的渗流活动，其延伸方向与水幕孔纵轴方向相一致或成低角度交叉，不能贯穿所有水幕孔，从而导致该孔的水幕效率很低，如果该推理正确的话，那么相邻水幕孔的渗透系数应与LWC1-E8和LWC1-E9水幕孔的渗透系数差异很大，而与其相邻的水幕孔LWC1-E10和LWC1-E7的渗透系数均比LWC1-E8和LWC1-E9水幕孔的渗透系数小一个数量级，以上推理得到了验证。

随着裂隙导水能力的降低，双重介质间的渗流作用可能会越来越微弱，以致试井软件不能成功捕获识别，但其导气的作用仍然存在，仍然可以影响井筒储集阶段的曲线形状，该种情形在LWC3-E3水幕孔中得到了充分的体现，该水幕孔的压力图版解译曲线未出现双重介质的渗流这一过渡段，但在井筒储集阶段却出现了变井筒储集现象，证明该孔所揭穿的裂隙只能导气不能导水，同时该孔所揭穿的裂隙同样未与其相邻供水水幕孔相连通，而且裂隙延伸位置有气体参与地下水的活动，其延伸方向与水幕孔纵轴方向相一致或成低角度交叉，不能贯穿所有水幕孔，从而导致该孔的水幕效率很低。而LWC1-E10、LWC1-E7、LWC1-E3、LWC1-E6这四个水幕孔双重介质间的渗流作用和变井筒储集阶段均未出现，理应仅为低渗透性介质内部地下水的渗流作用，在这种情况下，这四个水幕孔应当均为高效率水幕孔，但前两者却为低效率水幕孔，可能是由于前两者依然存在导气不导水的低角度裂隙，但由于试验装置及试井软件的敏感度原因未能准确捕捉，考虑LWC1-E10、LWC1-E7水幕孔与前述LWC1-E8、LWC1-E9两个低效率水幕孔相邻， LWC1-E10、LWC1-E7水幕孔极有可能位于被LWC1-E8、LWC1-E9水幕孔揭穿的低角度裂隙的边缘，受其影响的可能性极大。

综上所述，裂隙是影响大型地下水封洞库水幕系统水幕孔效率高低的关键因素，若低渗透性岩体发育完整，无裂隙发育，属单一孔隙介质模型，则一般情况下水幕效率较高；若低渗透性岩体中裂隙较发育，则要分情况讨论。如果裂隙能够贯穿相邻水幕孔，增加相邻水幕孔间的水力联系，则会增加水幕孔及水幕系统的水幕效率；如果裂隙未能贯穿相邻水幕孔，其延伸方向与水幕孔纵轴方向一致或成低角度交叉，渗流过程甚至有气相的参与，则会大大降低水幕孔及水幕系统的水幕效率，同时与这些孔相邻的水幕孔也会受其影响，这也是水幕孔水幕效率越高，进水量反而越少的原因。掌握以上规律后，便可在注水回落试验分析结果的基础上，初步判定单水幕孔的水幕效率高低，继而从整体上有效分析整个水幕系统的水幕效率高低。

3 结论与思考

(1) 地下水封洞库常建造在低渗透性岩体中，低渗透性岩体的渗透性对水幕系统的设计施工至关重要，运用现代试井解释方法可以准确获取低渗透性岩体的渗透性参数。

(2) 裂隙是影响大型地下水封洞库水幕系统水幕孔效率的重要因素，运用现代试井解释方法可以有效预测水幕孔水幕效率的高低以及水幕孔揭穿裂隙的发育类型。

(3) 低效率水幕孔由其揭穿裂隙的发育类型所致，当通过水幕效率试验分析获得水幕孔水幕效率的高低后，通常采取在低效率水幕孔周围增加与其平行的附加水幕孔的方法来提高该区域的水幕效率，经过上述分析，仅通过这种方法并不能够有效增加低效率区的水幕效率，由于这些低效率水幕孔所揭露的裂隙的延伸方向多与水幕孔纵轴方向相一致或成低角度交叉，不能贯穿所有水幕孔，从而导致该孔的水幕效率很低。因此，可以考虑增加与低效率水幕孔纵轴方向垂直的附加水幕孔或对原有低效率水幕孔进行注浆封堵连通气相的裂隙，并对其进行再钻探的方式，可能会大大提高低效率区的水幕效率。

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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

谢先军(1979— )，男，副教授，主要从事水文地球化学方面的研究。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 作者简介：张 龙(1988—)，男，硕士研究生，主要研究方向为水文地质与工程地质。E-mail：marvel0123@126.com