عمليات تجارب الضخ في الابار (pump test).
عمليات تجارب الضخ في الآبار
يجرى اختبار طبقة المياه الجوفية (أو اختبار الضخ) لتقييم خصائص الطبقة المائية. يتم ذلك من خلال الضخ المتدرج والمستمر، مع مراقبة مستوى هبوط المياه. يُستخدم هذا الاختبار بشكل شائع من قبل الهيدروجيولوجيين لتحديد نوع الطبقة المائية، وتقييم تدفق المياه، وتحديد الحدود الهيدرولوجية للنظام المائي، بالإضافة إلى حساب الاستخدام الآمن للمياه.
في كثير من الأحيان، يتم إجراء اختبار بسيط للتعرف على أداء البئر. خلال هذا الاختبار، يتم قياس معدل التصرف مع تسجيل قراءات الهبوط، مما يساعد في اختيار المضخة المناسبة لتشغيل البئر بكفاءة. إذا تم التخطيط للاختبار وتنفيذه بدقة، فإنه يمكن أن يوفر بيانات هامة حول أداء الخزان الجوفي نفسه. هذه البيانات لا يمكن الحصول عليها بنفس الدقة باستخدام طرق أخرى، ولذلك يُعرف هذا الإجراء باسم “اختبار الخزان المائي”.
تعريفات أساسية
مستوى الماء الثابت (بالإنجليزية: Static Water Level)
هو مستوى الماء عندما يكون البئر في حالة سكون، أي دون سحب المياه منه سواء بالضخ أو بالتدفق الذاتي. يتم التعبير عنه بالمسافة بين سطح الأرض ومستوى الماء داخل البئر. في الآبار المتدفقة ذاتياً، يكون مستوى الماء الثابت فوق سطح الأرض، ويتم قياسه بعد إيقاف التدفق لتحديد الضغط المحبوس.
(بالإنجليزية: Dynamic water level)مستوى الماء المتحرك
هو المستوى الذي يقف الماء عنده أثناء تشغيل البئر (عند سحب المياه منه سواء بالضخ أو بالتدفق الذاتي) ويعرف بمستوى الماء الديناميكي أو مستوى الضخ.
الهبوط
ويعني مدى انخفاض مستوى الماء أثناء سحب المياه من البئر ويساوي الفرق بين مستوى الماء الثابت ومستوى الماء المتحرك ويمثل الضغط اللازم لانسياب المياه من الخزان الجوفي باتجاه البئر عند معدل سحب المياه من هذا الخزان.
الهبوط المتبقي
بعد إيقاف سحب المياه من البئر فإن مستوى الماء يرتفع ويقترب من مستوى الماء الثابت الذي تمت ملاحظته قبل البدء في عملية السحب وفي أثناء فترة الاستعاضة هذه فإن )المسافة حيث يوجد مستوى الماء تحت مستوى الماء الثابت الأصلي في أي وقت ( الهبوط المتبقي.
معدل تصريف البئر: (بالإنجليزية: Discharge rate)
هو حجم المياه التي يتم سحبها من البئر في وحدة الزمن ويعرف عادة بالجالون في الدقيقة وقد تُستعمل وحدات أخرى مثل اللتر في الثانية.
الطاقة النوعية
وهي معدل تصريف البئر المقابل لكل وحدة من الهبوط ويُعبر عنها بالجالون في الدقيقة لكل قدم أو باللتر في الثانية لكل متر. ويتم حسابها بقسمة معدل الإنتاج على مقدار الهبوط الذي يتم قياسه في نفس الوقت.
الهبوط النوعي
ويمثل مقدار الهبوط المقابل لكل وحدة من معدل التصريف ويُعبر عنه بالقدم لكل جالون في الدقيقة أو بالمتر لكل لتر في الثانية.
قياس معدل التصرف
قياس معدل التصريف
يمكن قياس معدل التصريف باستخدام عدة طرق بسيطة تتميز بالدقة إلى حد كبير. من بين هذه الطرق، يمكن حساب التصريف عبر قياس الوقت اللازم لتعبئة وعاء أو حاوية ذات حجم معروف بالماء. كما يمكن استخدام عدادات المياه التجارية لتحديد كمية المياه المسحوبة من البئر خلال فترة زمنية محددة. ومع ذلك، فإن أكثر الطرق دقة لقياس معدل التصريف تتم باستخدام “السياج الحلقي”.
ما هو السياج الحلقي؟
السياج الحلقي هو عبارة عن فتحة دائرية متوسطة داخل لوح صلب، حيث تكون حواف الفتحة نظيفة ومربعة، ويبلغ سمك اللوح حول الحواف 1/16 بوصة. يتم تركيب هذا السياج عند الطرف الخارجي لأنبوبة التصريف، بحيث يكون متناسقًا تمامًا مع فتحة الأنبوب.
كيفية تركيب واستخدام السياج الحلقي
يجب أن تكون أنبوبة التصريف مستقيمة وفي وضع أفقي لمسافة لا تقل عن ستة أقدام من الطرف الخارجي. وعلى بعد 24 بوصة بالضبط من السياج الحلقي، يتم ثقب الأنبوب في وسطه تمامًا. يتم إدخال أنبوبة بلاستيكية أو مطاطية شفافة تُعرف باسم “الأنبوبة البيزومترية” في هذا الثقب، والتي تساعد في قياس ضغط الماء داخل أنبوبة التصريف.
طريقة قياس التصريف
يتم تثبيت مسطرة مدرجة بجانب الأنبوبة البيزومترية بشكل رأسي، مما يسمح بقياس ارتفاع الماء داخلها بدقة. بعد ذلك، يتم حساب كمية المياه المتدفقة من فتحة السياج الحلقي باستخدام معادلات خاصة تتيح تحديد معدل التصريف بدقة عالية.
1/2^(Q=8.02KA(h
حيث (Q): هي معدل التصريف في وحدة الزمن ويعبر عنه بالجالون في الدقيقة في حالة حساب مساحة فتحة السياج الحلقي (A)
بالبوصة المربعة، وارتفاع مستوى الماء في الأنبوبة البيزومترية (h)بالبوصة، أما (K)فهو معامل التصريف للسياج الحلقي ويختلف باختلاف أقطار فتحة السياج وأنبوبة التصريف ويمكن الحصول على قيمة هذا المعامل باستخدام الرسوم البيانية.
وعملية حساب معدل التصريف باستخدام طريقة السياج الحلقي دقيقة جداً ولا تتعدى نسبة الخطأ فيها 2% بشرط الأخذ في افعتبار ما يلي:
ألا تتجاوز نسبة قطر فتحة السياج الحلقي إلى قطر أنبوبة التصريف عن 0,8 وفي الواقع فإن الدقة تبدأ في التناقص عندما تتجاوز هذه النسبة عن 0,7.أن تكون الأنبوبة البيزومترية خالية تمام من العوائق
وكذلك فقاعات الهواء.ونظراً لأن طريقة لسياج الحلقي قد أصبحت من أكثر الطرق استخداماً لقياس معدل التصريف ولتسهيل العمليات الحسابية فقد وضعت جداول يمكن باستخدامها معرفة معدل التصريف مباشرة وذلك باستعمال سياجات حلقية وكذلك أنابيب تصريف ذات أقطار مختلفة.
قياس مستوى الماء
طرق قياس مستوى الماء في الآبار
1. المسبار الكهربي (Electric Sounder)
يعتبر المسبار الكهربي الوسيلة اليدوية الأكثر استخداماً. يتكون من قطب كهربائي يُعلق بزوج من الأسلاك المعزولة، وجهاز أميتر يعمل بالبطاريات الصغيرة. يتم الكشف عن مستوى الماء عند ملامسة القطب لسطح الماء في البئر، مما يُغلق الدائرة الكهربائية ويؤدي إلى سريان التيار.
رغم دقة هذه الطريقة، قد تحدث بعض الأخطاء بسبب الالتواءات في السلك أو وجود زيوت طافية على سطح الماء، مما يؤثر على دقة القياس. لذا، يفضل استخدامها في الآبار ذات العمق المحدود.
2. خط الهواء (Airline)
يتم استخدام خط الهواء لقياس العمق إلى سطح الماء. يتكون من أنبوب صغير القطر (1/4 بوصة) يمتد من فوهة البئر إلى نقطة أسفل أعمق مستوى يمكن أن يصل إليه الماء أثناء الضخ بعدة أقدام.
كيفية عمل خط الهواء:
- يجب أن يكون الأنبوب محكم الإغلاق.
- يتم تزويد نهايته بصمام لتمكين ضخ الهواء باستخدام مضخة هوائية.
- يتم قياس ضغط الهواء داخل الأنبوب بعد دفع الماء خارج خط الهواء.
معادلة تحويل الضغط إلى عمق الماء:
لتحويل ضغط الهواء إلى عمق الماء، يتم استخدام المعادلة:
1 رطل/بوصة مربعة = 2.31 قدم من المياه
من خلال حساب الفرق بين الطول الكلي للأنبوب والطول المغمور، يمكن تحديد مستوى الماء الفعلي.
3. قياس مستوى الماء في الآبار المتدفقة ذاتياً
في حالة الآبار المتدفقة ذاتياً، يتم قياس ارتفاع مستوى الماء فوق سطح الأرض باستخدام جهاز قياس الضغط.
طريقة القياس:
- يتم تركيب الجهاز في الجزء الظاهر من أنابيب التغليف أو في أنبوب التصريف.
- يتم حساب الضغط الناتج عن تدفق الماء لتحديد مستوى الماء الفعلي.
مميزات وعيوب هذه الطريقة:
- مميزات: فعالة ودقيقة عند الاستخدام الصحيح.
- عيوب: تتطلب معايرة دقيقة لضمان صحة القياسات، خاصة عند استخدامها في اختبارات أداء الخزان الجوفي.
الترتيبات الخاصة بعملية تجارب الضخ
قبل البدء في عملية تجارب الضخ يجب التأكد من اتخاذ الترتيبات التالية:
1. اختيار نقطة مناسبة يتم الرجوع إليها بجميع قياسات مستوى سطح الماء.
2. يجب أن تكون المضخة والماكينة قادرتين على إنتاج أقصى حد لكميات المياه المتوقع إنتاجها بعد إتمام عمليات تنمية وتطوير البئر.
3. في حالة استخدام طريقة السياج الحلقي لقياس معدل التصرف، ينبغي أن يكون قطر أنبوب التصريف وكذلك السياج الحلقي متناسبًا مع كمية الإنتاج المتوقعة.
4. تركيب صمام على أنبوب التصريف للعمل على إنتاج كميات ثابتة من الماء أثناء عملية تجارب الضخ.
وأي تغير في معدل التصريف أثناء الاختبار ينبغي معالجته في الحال باستخدام الصمام. كما يجب اتخاذ الاحتياطات اللازمة لقياس مستوى الماء باستخدام المسبار الكهربي أو خط الهواء.
في حالة الآبار المتدفقة ذاتيًا، ينبغي اتخاذ الترتيبات المناسبة لاستخدام قياس الضغط.
يجب أن تبدأ عملية الاختبار بعد مضي ما لا يقل عن 24 ساعة على آخر مرة كانت البئر تنتج منها المياه.
إذا بدأ الاختبار، فيجب أن يستمر إنتاج المياه دون توقف حتى انتهاء تجربة الضخ. وإذا حدث توقف لأي سبب، يجب إعادة الاختبار بعد مضي 24 ساعة من التوقف.
يجب قياس مستوى الماء الثابت بدقة في بداية عملية الاختبار. وخلال الاختبار، يجب تسجيل درجات حرارة المياه وتوصيلها الكهربائي على فترات زمنية محددة ومتقاربة.
الاختبار عند معدل إنتاج ثابت (بالإنجليزية: Constant Rate Discharge Test)
في هذا الاختبار، يتم سحب المياه من البئر الإنتاجية لمدة زمنية معينة عند معدل إنتاج واحد، وتسجيل الهبوط في هذا البئر وآبار المراقبة القريبة.
يستمر الاختبار حتى الوصول إلى حالة الثبات، ولكن عمليًا نادرًا ما يحدث ذلك. في الخزانات المائية المقيدة، يتسع مخروط السحب سريعًا لأن الضغط يتناقص في المنطقة المحيطة بالبئر دون تفريغ فعلي للمياه. لذا، يعتبر اختبار لمدة 24 ساعة كافيًا للحصول على معلومات دقيقة.
أما في الخزانات المائية الحرة، فيلزم حوالي 72 ساعة لتفريغ الماء الموجود داخل مخروط السحب، حيث يتغلغل الماء إلى أسفل ببطء في معظم الرسوبيات الطباقية. في بعض الحالات، يثبت مخروط السحب قبل مرور هذه المدة، ولكن لا ينبغي إيقاف الاختبار قبل الوصول إلى حالة الثبات.
اختبار الاستعاضة (بالإنجليزية: Recovery Test)
بعد إيقاف سحب المياه من البئر الإنتاجية، يتم قياس مستوى الماء أو الضغط في هذه البئر وآبار المراقبة بنفس الفترات الزمنية المتبعة في الاختبار السابق لمدة 24 ساعة، أو حتى يعود مستوى الماء إلى حالته الأصلية تقريبًا.
اختبار الهبوط عند مراحل متزايدة من الإنتاج (بالإنجليزية: Step Drawdown Discharge Test)
في هذا الاختبار يتم سحب المياه من البئر الإنتاجية عند مراحل متتابعة متزايدة من الإنتاج، وتسجيل الهبوط المصاحب لكل من هذه المراحل. يجب أن يشتمل الاختبار على عدد من المراحل يتراوح من خمسة إلى ثمانية، تستغرق كل منها من ساعتين إلى ثلاثة، ويجري قياس مستويات المياه أو الضغط في كل من هذه المراحل عند نفس الفترات الزمنية المستخدمة في الاختبارات السابقة.
تحليل بيانات الاختبار
تعتمد الطريقة التي تُعالج بها البيانات التي يتم الحصول عليها أثناء تجارب الضخ على العديد من العوامل، والتي يمكن تقسيمها إلى مجموعتين:
- سلوك الخزان الجوفي: يشمل نوعية الخزان (حر أو مقيد)، سماكته، درجة تجانسه، ومدى اتصاله بالخزانات التي تعلوه أو تسفله.
- سلوك البئر: يتضمن أقطار وأطوال أنابيب التغليف (حجم المياه المخزونة داخل تلك الأنابيب فوق مستوى الخزان الجوفي)، الفارق بين درجة حرارة المياه داخل الخزان وداخل أنابيب التغليف، وقرب البئر من مصادر التغذية أو الحواجز الطبيعية أو الصناعية.
واحد من هذه العوامل يمكن معالجته بالحلول الرياضية، دون الدخول في تفاصيل تلك الحلول. فيما يلي أبسط الطرق المستعملة لتحليل بيانات الاختبار:
العلاقة بين الهبوط والإنتاج (بالإنجليزية: Drawdown – Yield)
هناك معادلة تحكم هذه العلاقة، والتي توصل إليها جاكوب عام 1946م، وهي:
الهبوط = (معامل فاقد الطبقة المنتجة للمياه * الإنتاج) + (معامل فاقد البئر * مربع الإنتاج)
وتكتب على النحو التالي:
S = BQ + CQ²
حيث:
- S: الهبوط
- Q: معدل الإنتاج
- B: معامل فاقد الطبقة المنتجة للمياه
- C: معامل فاقد البئر
العلاقة بين الهبوط والوقت
إن المتغيرات في هذه العلاقة هي الهبوط والوقت مع تثبيت العوامل الأخرى، وأهمها الإنتاج. لذلك، تستخدم بيانات الاختبار عند معدل إنتاج ثابت، ويُستفاد من هذه العلاقة في استنباط المعاملات الهيدروليكية التالية:
معامل السماحية
لقد توصل جاكوب إلى استنباط معامل السماحية باستخدام المعادلة التالية:
T = 264 * Q / (S₂ – S₁)
حيث:
- T: معامل السماحية (بالجالون في اليوم لكل قدم).
- Q: معدل الإنتاج (بالجالون في الدقيقة).
- S₂ – S₁: قيمة التغير في الهبوط بالقدم في دورة لوغاريتمية واحدة من الوقت.
