способ сбора флюидов с наклонного подземного водоносного пласта

Формула изобретения

СПОСОБ СБОРА ФЛЮИДОВ С НАКЛОННОГО ПОДЗЕМНОГО ВОДОНОСНОГО ПЛАСТА, включающий вскрытие водоносного пласта нагнетательными и откачивающими скважинами или шахтными колодцами для флюида, закачку флюида с отбором его из пласта и управлением положением объема флюида, отличающийся тем, что дополнительно сооружают в водоносный пласт нагнетательные и откачивающие скважины для минерализованных пластовых вод, откачивающие скважины для флюида и пластовых вод располагают вблизи одна от другой, а нагнетательные для пластовых вод размещают на расстоянии от них ниже по потоку в глубинных горизонтах пласта и формируют объем флюида воронкообразной формы, для чего забор минерализованных вод осуществляют в глубине пласта с одновременной закачкой поднятой пластовой воды в нагнетательные скважины для нее, при этом забор флюида осуществляют по мере накопления его у поверхности водоносного пласта.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к сбору флюидов с подземного водоносного пласта и может, в частности, найти применение при водоснабжении, например при обводнении пустынных пастбищ.

Пустынные пастбища аридной зоны земного шара, как правило, имеют территории, на которых отсутствуют источники пресной воды, но имеется растительный корм для выпаса животных. Однако на значительных площадях указанных территорий залегают подземные высокоминерализованные воды. Для хозяйственного использования таких территорий целесообразно создавать на пастбищах искусственные источники пресной воды с запасами, достаточными для эксплуатации. Это даст возможность более рационального и полного использования кормовых ресурсов пустынь и полупустынь и увеличения продуктивности отгонного животноводства. По предлагаемому способу для решения этой задачи используется известное природное явление перехода влаги атмосферных осадков из зоны поверхностного промачивания через зону аэрации вниз на поверхность подземных вод, где происходит ее конденсация и накопление [1, 2] В процессе питания грунтовых вод из зоны аэрации в тех случаях, когда водоносный горизонт содержит воду повышенной минерализации, на ее поверхности образуется слой пресной воды, который в зависимости от величины естественного уклона водоносного горизонта имеет различную мощность пресноводного слоя. На наклонных участках водоносного горизонта этот слой обычно не превышает нескольких сантиметров. По мере уменьшения уклона горизонта соленой воды толщина поверхностного слоя пресной воды увеличивается. В безуклонном залегании соленых подземных вод образуются естественные скопления пресной воды, плавающей на соленом водоупоре, в виде так называемых пресноводных подземных линз.

Из опыта, накопленного в нашей стране и за рубежом, известны способы и технические средства искусственного сбора атмосферных осадков, его инфильтрации в водоносный горизонт, формирование необходимого хозяйственного запаса воды и его последующий водозабор.

В известных технологических схемах, отличающихся разнообразием в зависимости от гидрологических условий, общим является вскрытие водоносного пласта, инфильтрационное питание извне водоносного горизонта и хозяйственный водозабор. В частности, таким способом формируются линзы пресных вод на довольно мощных, горизонтально залегающих, соленых подземных водах. Источником создания запасов пресной воды в данном случае являются пресные поверхностные воды, которые непосредственно искусственно инфильтруют в место создаваемого запаса. Однако на уклонных горизонтах подземных вод, которые наиболее характерны для гидрологических условий земной коры, в частности пустынь, удержание запаса в виде пресноводной линзы представляет значительную трудность, т.к. линза уплывает вместе с подземным потоком по естественному уклону.

По мнению автора, по своей технической сущности наиболее близко изобретение, которое можно в принципе использовать как способ сбора влаги атмосферных осадков под землей.

Способ включает вскрытие наклонного водоносного пласта подземных минерализованных вод нагнетательными и откачивающими скважинами, отбор флюида и закачку его в пласт. Сущность рассматриваемого способа хранения флюидов в наклонном водоносном пласте заключается в возвращении постоянно уплывающего вместе с подземным потоком объема флюида в исходное место хранения флюида путем циркуляционной перекачки последнего посредством связанных между собой откачивающих и нагнетательных скважин. Поэтому откачивающие скважины размещены вблизи границы хранения флюида ниже по потоку водоносного пласта, а нагнетательные выше по потоку. Использование рассматриваемого способа (прототипа) для хранения линзы пресной воды на наклонном пласте минерализованной воды путем перекачки уплывающей линзы назад не представляется целесообразным ввиду неизбежного перемешивания пресной воды с соленой, что в свою очередь повлечет уменьшение запаса пресной воды в линзе и постепенную полную ее деградацию. Кроме того, рассматриваемый прототип предусматривает создание искусственной линзы флюида путем закачки его в водоносный пласт с земной поверхности.

В отличие от вышеизложенного способа стабилизации флюида на текущем водоносном пласте в настоящем изобретении была поставлена задача прежде всего обеспечить ламинарный режим взаимодействия на границе слоев пресной и соленой воды, повлиять на саму наклонную поверхность минерализованной воды так, чтобы образовать в месте водосбора углубление воронкообразной формы в поверхности соленой воды и местоположение углубления, чтобы не менялось со временем. Это может быть достигнуто путем постоянной или дискретной откачки соленой воды из глубинного горизонта пласта соленой воды, а также путем создания подпора со стороны, противоположной направлению потока пласта. Находящийся на поверхности минерализованной воды слой пресной воды, двигаясь по поверхности уклона воронки, постепенно заполнит образовавшееся углубление. В результате будет образован запас пресной воды для использования.

Целью изобретения является создание восполняемого подземного источника (хранилища) пресной воды на наклонном водоносном пласте минерализованной воды, а также обеспечение стабильности положения источника пресной воды на наклонном водоупоре.

Еще одной целью является сбор в месте водоисточника слоя флюида влаги атмосферных осадков с прилегающей к месту водозабора территории пласта минерализованной воды.

Достигается это тем, что по способу сбора флюидов с наклонного подземного водоносного пласта производят вскрытие наклонного водоносного пласта подземных минерализованных вод нагнетательными и откачивающими скважинами или шахтными колодцами, отбор подземных вод откачивающими скважинами и закачку их в пласт нагнетательными, кроме того, откачивающие скважины располагают вблизи друг от друга, водозабор у части откачивающих скважин устраивают ближе к поверхности водоносного пласта, а у другой части скважин в глубине пласта, водозабор из глубоких скважин осуществляют с одновременной закачкой поднятой пластовой минерализованной воды посредством нагнетательных скважин, размещенных ниже по уклону водоносного пласта в его глубинные горизонты, а откачку пресной воды по мере ее накопления в образованной подземной емкости воронкообразной формы осуществляют водозабором через скважины меньшей глубины или шахтные колодцы. В изложенном выше тексте сущности изобретения признаки после слов "кроме того" являются отличительными. По мнению автора, совокупность признаков отличительной части соответствует критериям "новизна" и "существенные отличия".

На чертеже изображена система водозабора при осуществлении способа сбора флюидов с наклонного подземного водоносного пласта.

Система водозабора представляет собой группу скважин, определенным образом связанных между собой.

В пласт 1 подземной минерализованной воды забурена откачивающая скважина 2, водоприемный фильтр которой расположен в глубине пласта 1. Скважина 2 посредством размещенного на поверхности земли трубопровода 3 соединена с нагнетательной скважиной 4. Последняя размещена на некотором расстоянии от скважины 2 по направлению потока соленой подземной воды пласта 1. Фильтр нагнетательной скважины 4 размещен в срединной части пласта 1. Рядом со скважиной 2 пробурена водозаборная скважина 5 или шахтный колодец (не показан), водоприемный фильтр которой расположен в верхней части пласта 1, ближе к его уровню. Рядом со скважинами 2 и 5 размещена наблюдательная скважина 6, заглубленная до средних горизонтов пласта 1. Фильтр скважины 6 размещен по всей высоте, погруженной в пласт 1 ее части. В наблюдательной скважине 6 размещен датчик 7, например поплавковый, уровня минерализованной воды. Из глубинного горизонта пласта 1 через откачивающую скважину 2 забирают минерализованную воду и по трубопроводу 3 подают ее в скважину 4, размещенную ниже по течению подземной воды. В результате выше фильтра скважины 2 постепенно формируют депрессионную воронку 8. Одновременно в месте закачки минерализованной воды в скважину 4 происходит подъем уровня подземных вод, чем создают подпор 9 движущемуся подземному потоку водоносного пласта 1. В результате затормаживают или полностью останавливают общий поток воды в пласте 1 над фильтром скважины 2, тем самым стабилизируют местоположение депрессионной воронки 8. Режимом откачки минерализованной воды из скважины 2 по показаниям датчика 7 устанавливают необходимую глубину депрессионной воронки 8 и поддерживают ее глубину неизменной во времени. Таким образом создают условия, при которых находящийся на поверхности солевой воды слой пресной воды 10 постепенно стекает и накапливается в депрессионной воронке 8. После заполнения воронки 8 пресной водой производят откачку ее через скважину 5 (шахтный колодец) для хозяйственных нужд. Подбором режимов водозабора соленой и пресной воды устанавливают стационарное положение воронки 8 и оптимальные расходы скважин 2 и 5, исходя из гидрологических условий места создания искусственного источника пресной воды.

П р и м е р. Работа системы осуществлена на территории такыра, находящегося на южной окраине Центральных Каракумов. Гидрологические условия участка следующие: зона аэрации представлена в верхней части такырной глиной, толщина которой 0,5-3 м, ниже песок с глиняными прослоями. Водоносный слой находится в среднем на глубине 15,0 м. Мощность водоносного пласта 15-17 м. Водонасыщенная порода песок мелкозернистый. Скорость потока пласта 1 м/год. Соленость воды 29-30 г/л. Слой пригодной к употреблению пресной воды, находящийся на поверхности соленой, достигает 0,03 м.

Водозаборная скважина пробурена от поверхности на глубину 17 м, водоприемный фильтр длиной 1,5 м выполнен на ее конце. Следовательно, уровень всасывания водозаборной скважины достигает 2 м от уровня соленых вод. Откачивающая скважина пробурена в 3,5 м от водозаборной на глубину 24 м с фильтром в 1,7 м на конце. Нагнетательная скважина пробурена на расстоянии 150 м от откачивающей в сторону уклона водоносного пласта. Глубина скважины 22 м, высота фильтра на конце скважины 2,5 м. Наблюдательная скважина пробурена в 15 м от водозаборной на глубину 22 м.

В результате натурных наблюдений за динамикой образования воронки и изменения ее глубины в зависимости от расходов откачки соленой воды из глубины пласта были найдены оптимальные режимы отбора пресной воды, а также перекачки соленой воды.

Они соответственно составили: перекачиваемой соленой воды 2.2,5 м³/ч, пресной 0,5.0,6 м³/ч, при этом глубина воронки соленой воды удерживалась 2,5.3 м.

Водозаборная скважина была включена в работу через две недели после начала работы откачивающей и нагнетательной скважин и на 25.30-е сутки была получена вода, пригодная к водопою.

Использование предлагаемого способа позволяет осуществлять сбор флюида влаги атмосферных осадков, конденсирующихся и собирающихся в тонкий слой на поверхности соленых вод под землей, создавать на этой основе локальный восполняемый источник пресной воды и осуществлять длительный водозабор для хозяйственных нужд.