Выбор мест бурения скважин и эксплуатация подземных вод

Почти во всех районах США найдется по крайней мере несколько скважин производительностью более 50 галл/мин. Это свидетельствует о существовании водообильных зон, нахождение которых было бы значительно ускорено при условии использования геологических и геофизических методов. К сожалению, имеется мало данных относительно того, насколько геологические и геофизические методы исследований повышают по сравнению с ненаучными методами вероятность нахождения зон, благоприятных для заложения скважин. Уорд описал несколько случаев в Южной Австралии, когда геологи удачно справлялись с задачей выбора мест бурения скважин в метаморфических породах, а скважины, заложенные с помощью «магического жезла», оказывались безводными. Энслин сообщает, что в одном из районов Южной Африки пять скважин из шести, точки бурения которых были найдены наземным методом электрических сопротивлений, дали воду, тогда как применение других методов позволило получить только 10% продуктивных скважин.

Если породы, слагающие исследуемый район, хорошо обнажены, для определения степени трещиноватости и расположения сбросов, даек и геологических контактов очень эффективно проведение детального геологического картирования (рис. 7.5). Обычно наиболее благоприятные водоносные зоны находятся в мраморах и доломитах и связаны с тектонической трещиноватостью, частично усиленной растворением. Следующие по водообильности обширные трещиноватые зоны связаны с тектоническими нарушениями. Однако многие такие зоны, открытые в прошлом, почти полностью зацементированы кварцем, кальцитом и реже другими минералами и не должны приниматься во внимание. В породах, испытавших значительные деформации вблизи нарушений сплошности, например вдоль твердых, но хрупких кварцевых жил, пересекающих мягкие филлиты, обычно образуются водоносные трещины. Если жила или дайка имеет те же механические свойства, что и вмещающая их порода, их трегциноватость, как правило, значительно меньше.

Во многих районах сбросы и трещины отдельности почти вертикальны. Расстояния между трещинами обычно от 0,5 до 10 футов и равны или несколько больше диаметра большинства скважин. Таким образом, почти вертикальные скважины будут пересекать только одну или две плоскости отдельности. Геар установил в Уганде, что если скважина пересекла одну водоносную трещину, вероятность встречи другой такой же трещины в пределах следующего 20-футового интервала бурения составит лишь несколько более 1%, а в интервале в 140 футов — около 33%. Колодцы с горизонтальными стволами в тех же условиях были бы гораздо эффективнее, так как пересекали бы больше трещин. Однако затраты на бурение или проходку до нужной глубины вертикального шахтного ствола большого диаметра, пригодного для последующего сооружения из него боковых горизонтальных стволов, вскрывающих водонасыщенную породу, как правило, значительно выше стоимости получаемой воды. Тем не менее сооружение таких колодцев во многих случаях оказывалось успешным в глубоко вывет-релых породах, где проходка шахтных стволов недорога, а также на крутых склонах, позволяющих бурить горизонтальные стволы непосредственно с поверхности.

Рис. 7.5. Блок-диаграмма, показывающая взаимосвязь между геологическим строением гипотетического района и производительностью скважин и колодцев.

А— кора выветривания гранитов; Б — сброс; В — граниты; Г — трещины отдельности в гранитах; Д — аллювиальные отложения; Ε — контакт гранитов и сларцев; Ж — коллювиальные отложения; З — сланцы; И — аплитовая дайка; К — мрамор.

Во многих районах сбросы и трещины отдельности почти вертикальны. Расстояния между трещинами обычно от 0,5 до 10 футов и равны или несколько больше диаметра большинства скважин. Таким образом, почти вертикальные скважины будут пересекать только одну или две плоскости отдельности. Геар установил в Уганде, что если скважина пересекла одну водоносную трещину, вероятность встречи другой такой же трещины в пределах следующего 20-футового интервала бурения составит лишь несколько более 1%, а в интервале в 140 футов — около 33%. Колодцы с горизонтальными стволами в тех же условиях были бы гораздо эффективнее, так как пересекали бы больше трещин. Однако затраты на бурение или проходку до нужной глубины вертикального шахтного ствола большого диаметра, пригодного для последующего сооружения из него боковых горизонтальных стволов, вскрывающих водонасыщенную породу, как правило, значительно выше стоимости получаемой воды. Тем не менее сооружение таких колодцев во многих случаях оказывалось успешным в глубоко вывет-релых породах, где проходка шахтных стволов недорога, а также на крутых склонах, позволяющих бурить горизонтальные стволы непосредственно с поверхности.

В районах с интенсивно развитым почвенно-растительным покровом при выборе мест бурения на воду должны применяться косвенные методы. Обобщения относительно рельефа, глубин скважин и типов пород, сделанные в предыдущем разделе, могут служить предварительными показателями при определении мест заложения скважин. Детальные геоморфологические исследования позволяют установить зоны исключительно мощных выветрелых пород или же районы, где развиты аллювиальные водоносные горизонты. На аэрофотоснимках обычно фиксируются даже весьма слабые различия в оттенках окраски почвы или растительности, в строении речной сети и расположении небольших гряд. Эти различия могут указывать на существование сбросов, интрузий и массивов карбонатных пород.

Рис. 7.6. Гипотетические кривые понижения уровня воды в скважинах, пробуренных в трещиноватых кристаллических породах.

а — скважина отбирает воду из мелких трещин вблизи поверхности, гарантированный дебит составляет менее 5 галл/мин; б — обширная зона мелких трещин соединяет скважину с ближайшим источником питания, гарантированный дебит — около 5 галл/мин; в — скважина пробурена неудачно, может дать немного воды, кривая понижения отражает осушение скважины и наличие большой изолированной трещины, вскрываемой скважиной; г — крупные трещины, дренирующие толщу пористой выветрелой породы, дают возможность получать дебит около 5 галл/мин.

Для расшифровки скрытой геологической структуры района весьма полезны геофизические методы, хотя непосредственные поиски подземных вод этими методами редко бывают удачными. Магнитная съемка позволяет определять местонахождение пород с относительно высоким содержанием железа, таких, как основные интрузивные породы или «железистые формации» в слабо метаморфизованных осадочных породах. Картирование этих пород облегчает локализацию сбросов. Кроме того, основные породы могут оказаться выветрелыми на большую глубину по сравнению с окружающими, вследствие чего они могут создать благоприятные гидрогеологические условия. В районах развития метаморфических и глубинных изверженных пород сейсморазведка и методы электрических сопротивлений применяются чаще магнитометрических методов. Основное назначение этих исследований — установить мощность зоны выветривания. Например, вблизи города Лусака в Замбии участки с низким электрическим сопротивлением соответствуют мощным покровным наносам, заполняющим верхнюю часть впадин в доломитах. Восемь скважин, пробуренных в брекчиях этих впадин, имели средний дебит порядка 660 галл/мин, тогда как скважины, заложенные в доломитах, имели средний дебит 34 галл/мин, а в среднем по району — 18 галл/мин. Наличие разветвленной системы довольно больших пустот в брекчиях было подтверждено тем фактом, что в процессе откачки из одной скважины с глубины около 125 футов на поверхность был выброшен маленький слепой рачок. Еще другой представитель этого вида Ingolfiella leleupi был найден в одной из пещер Конго.

Данные опытных откачек, проведенных в метаморфических и глубинных изверженных породах, не поддаются общим правилам интерпретации, рассмотренным в предыдущих главах. Как показал Легран, различные соотношения положения трещин, их ширины и количества подземных вод вблизи скважины могут дать почти любой тип кривой зависимости дебита от понижения уровня воды. Некоторые возможные случаи таких соотношений показаны на рис. 7.6. Типичная особенность всех скважин, отбирающих воду из трещиноватых пород,— высокий или средний начальный дебит, который со временем быстро уменьшается. Обычно это объясняется ограниченным запасом подземных вод в районе скважины. Поэтому целесообразно скважины располагать так, чтобы они могли дренировать зону выветривания или водонасыщенные аллювиальные и коллювиальные отложения, которые в единице объема содержат воды в 20—40 раз больше, чем невыветре-лые породы. Если обеспечена биологическая чистота воды путем фильтрования, скважины можно располагать в непосредственной близости от постоянных поверхностных водотоков или озер, чтобы предотвратить истощение запасов воды в зоне трещиноватости.