Содержание к диссертации
Введение
1 Современное состояние повторных геодезических наблюдений на геодинамических полигонах нефтегазовых месторождений
1.1 Современные представления о геодинамических и геомеханических процессах, изучаемых на геодинамических полигонах нефтегазовых месторождений 11
1.2 Постановка и методы изучения геодинамических и геомеханических процессов на геодинамических полигонах нефтегазовых месторождений 15
1.3 Формирование и оценка факторов, определяющих эффективность результатов повторных геодезических наблюдений за геодинамическими и геомеханическими процессами 26
Выводы по главе 1 29
2 Разработка теоретических основ учета и ослабления влияния экзогенных факторов на результаты повторных геодезических наблюдений
2.1 Оценка влияний экзогенных факторов на результаты повторных геодезических наблюдений 31
2.2 Исследование и математическое моделирование механизма воздействий влажностного режима приповерхностных слоев земной коры на результаты повторных геодезических наблюдений 47
2.3 Исследование и совершенствование методов исключения влияний экзогенных факторов на результаты повторных геодезических наблюдений... 62
Выводы по главе 2 75
3 Совершенствование методов постановки и технологии повторных геодезических наблюдений на геодинамических полигонах нефтегазовых месторождений
3.1 Основные проблемные вопросы постановки повторных геодезических наблюдений на геодинамических полигонах нефтегазовых месторождений... 76
3.2 Новый подход к проектному обеспечению достоверности результатов повторных геодезических наблюдений за геодинамическими и геомеханическими процессами на геодинамических полигонах нефтегазовых месторождений
3.2.1 Научно-техническое обоснование схем построения и закрепления сетей повторных геодезических наблюдений на геодинамических полигонах нефтегазовых месторождений 78
3.2.2 Научное обоснование параметров и технологии постановки повторных геодезических наблюдений на геодинамических полигонах нефтегазовых месторождений 89
3.3 Практическая реализация и оценка эффективности результатов исследований 107
Выводы по главе 3 114
Заключение 116
Список сокращений и условных обозначений 119
Список литературы
- Постановка и методы изучения геодинамических и геомеханических процессов на геодинамических полигонах нефтегазовых месторождений
- Формирование и оценка факторов, определяющих эффективность результатов повторных геодезических наблюдений за геодинамическими и геомеханическими процессами
- Исследование и математическое моделирование механизма воздействий влажностного режима приповерхностных слоев земной коры на результаты повторных геодезических наблюдений
- Новый подход к проектному обеспечению достоверности результатов повторных геодезических наблюдений за геодинамическими и геомеханическими процессами на геодинамических полигонах нефтегазовых месторождений
Введение к работе
Актуальность работы. Согласно требований федерального закона
Российской Федерации «О недрах» на всех месторождениях полезных
ископаемых проводится комплекс геологических, маркшейдерских,
геодезических и иных наблюдений, направленных на обеспечение
нормального технологического цикла горных работ и прогнозирование
опасных ситуаций, а также своевременное определение и нанесение на
планы горных работ опасных зон. Повторные геодезические
наблюдения на геодинамических полигонах нефтегазовых
месторождений, являющиеся составной частью мониторинговых
наблюдений за состоянием недр и земной поверхности, направлены на
решение задач, связанных, в первую очередь, с установлением
пространственно-временных характеристик современных
геодинамических и техногенных геомеханических процессов,
получивших развитие в результате разработки месторождений.
В настоящее время постановка и производство геодезических
работ, выполняемых на геодинамических полигонах нефтегазовых
месторождений, осуществляется с позиций нормативно-
детерминистического подхода без учета особенностей проявления природных (эндогенных и экзогенных) и техногенных деформационных процессов в пространстве и во времени, а также специфики геодезических наблюдений в условиях разработки месторождений углеводородного сырья. В частности, структурное решение систем наблюдений сводится к построению взаимно пересекающихся линий нивелирования, достигающих десятков и даже сотен км для большинства нефтегазовых месторождений нашей страны. Закрепление линий нивелирования осуществляется стандартными нивелирными пунктами без оценки их устойчивости в сложившихся природно-климатических условиях. Повторные наблюдения, как правило, выполняются по программе нивелирования II класса без научного обоснования требований к точности и периодичности их выполнения.
Анализ многочисленных публикаций, освещающих результаты
повторных геодезических наблюдений на геодинамических полигонах
нефтегазовых месторождений, говорит о том, что нормативно-
детерминистический подход к их постановке не обеспечивает
получения достоверных, релевантных и репрезентативных сведений о
кинематических параметрах изучаемых деформационных процессов и
возможности эффективного решения маркшейдерских задач
геодезическими методами.
Получившие широкое распространение в последнее время и рекомендуемые для наблюдений за деформационными процессами
методы космического зондирования земной поверхности также не
позволяют получать достоверные сведения о пространственно-
временных характеристиках геодинамических и геомеханических
процессов на нефтегазовых месторождениях. Так, метод
дифференциальной радиолокационной интерферометрии позволяет
повторно фиксировать только изменения рельефа земной поверхности
на протяжении года, связанные с наличием или отсутствием снежного
покрова, растительности; высокоамплитудными, короткопериодичными
и нерегулярными в пространстве и во времени экзогенными
деформациями земной поверхности и целым рядом других факторов, не
имеющих прямого отношения к геодинамическим и геомеханическим
процессам, обусловленным разработкой месторождений
углеводородного сырья.
Сложность изучения геодинамических и геомеханических
процессов, получивших развитие в условиях разработки нефтегазовых месторождений, состоит в том, что они совместно выражаются в деформациях горных массивов и земной поверхности, что не позволяет получать достоверные, репрезентативные и релевантные сведения о их кинематических параметрах при существующем традиционном подходе к постановке мониторинговых наблюдений. Становится очевидным, что для эффективного решения маркшейдерских задач геодезическими методами на геодинамических полигонах нефтегазовых месторождений необходимо обоснование программно-целевого подхода к постановке повторных геодезических наблюдений с учетом особенностей проявления геодинамических и геомеханических процессов природного и природно-техногенного происхождения в пространстве и во времени, а также с учетом факторов, оказывающих влияние на результаты повторных геодезических наблюдений в специфических условиях месторождений углеводородного сырья.
К настоящему времени накоплен довольно большой объем
результатов экспериментальных исследований по изучению
пространственно-временного проявления природных геодинамических
процессов эндогенного происхождения на прогностических и
изыскательских геодинамических полигонах, а также по линиям
государственных геодезической и нивелирной сетей, которые освещены
в работах таких ученых, как Буланже Ю.Д., Выскочил П.,
Дмитриевский А.Н., Колмогоров В.Г., Лилиенберг Д.А., Никонов А.А.,
Панкрушин В.К., Пеллинен Л.П., Серебрякова Л.И., Фотиади Э.Э.,
Яцкив Я.С., Ященко В.Р. и др. Вопросам теоретического и
экспериментального изучения техногенных геомеханических
процессов, обусловленных разработкой нефтегазовых месторождений, посвящены работы Ашихмина С.Г., Кашникова Ю.А., Кузьмина Ю.О.,
Мазницкого А.С., Середницкого Л.М., Сидорова В.А. Изучением деформационных процессов экзогенного происхождения и оценкой их влияния на результаты повторных геодезических наблюдений занимались Богданов Б.Г., Вителли П., Волков В.И., Куниетти М., Лумп Н., Марчак П., Моцци Г., Певнев А.К., Селюков Е.И., Успенский М.С., Фаччинелли Ф.
Цель диссертационной работы. Совершенствование методов
геодезических наблюдений за геодинамическими и геомеханическими
процессами на геодинамических полигонах нефтегазовых
месторождений на основе теоретических и экспериментальных исследований, выполненных в рамках фундаментальной научной проблемы изучения кинематики земной поверхности, разработки программно-целевого подхода к постановке повторных геодезических наблюдений с учетом механизма и закономерностей проявления измеряемых на геодинамических полигонах величин, способствующего повышению точности, достоверности, репрезентативности и научно-практической значимости результатов повторных геодезических наблюдений.
Идея работы заключается в программно-целевом подходе к постановке повторных геодезических наблюдений на геодинамических полигонах нефтегазовых месторождений, существенно повышающем эффективность их результатов и позволяющем по-новому оценить проявление геодинамических и геомеханических процессов в приповерхностных слоях земной коры в границах горных отводов разрабатываемых месторождений углеводородного сырья.
Основные задачи исследований:
-
Анализ современных методов и технологий мониторинговых наблюдений за деформационными процессами на геодинамических полигонах нефтегазовых месторождений;
-
Исследование факторов, определяющих эффективность результатов повторных геодезических наблюдений за геодинамическими и геомеханическими процессами на геодинамических полигонах нефтегазовых месторождений;
-
Исследование и совершенствование методов исключения влияний экзогенных факторов на результаты повторных геодезических наблюдений;
-
Научно-техническое обоснование схем построения и закрепления сетей повторных геодезических наблюдений на геодинамических полигонах нефтегазовых месторождений;
5. Научное обоснование параметров повторных геодезических
наблюдений на геодинамических полигонах нефтегазовых
месторождений.
Научная новизна:
1. Выявлены и проанализированы основные факторы,
оказывающие влияние на эффективность результатов повторных
геодезических наблюдений за геодинамическими и геомеханическими
процессами на геодинамических полигонах нефтегазовых
месторождений.
2. На основе исследования результатов повторного высокоточного
нивелирования, выполненного на Нововоронежском и Криворожском
геодинамических полигонах, установлено, что повсеместно
распространенные экзогенные факторы порождают
сложнодифференцированную в пространстве и во времени
неустойчивость типовых грунтовых нивелирных пунктов, значительно
превышающую по абсолютной величине кинематические
характеристики геодинамических и геомеханических деформационных
процессов, изучаемых на геодинамических полигонах нефтегазовых
месторождений.
3. Выполнены исследования механизма влияния влажностного
режима приповерхностных слоев земной коры на результаты
повторных геодезических наблюдений.
-
На основе результатов выполненных исследований разработаны способы ослабления и исключения влияний влажностных деформаций грунтовых оснований нивелирных пунктов на результаты повторного высокоточного нивелирования.
-
Определены основные принципы выбора местоположения, типа (конструкций) и глубин закладки опорных (исходных) и деформационных нивелирных пунктов, учитывающие геофизические и маркшейдерские требования к постановке геодезических работ в составе мониторинговых наблюдений за деформационными процессами на геодинамических полигонах нефтегазовых месторождений.
6. Установлены основные параметры постановки повторных
геодезических наблюдений, позволяющие обеспечить определение
кинематических характеристик деформационных процессов на
геодинамических полигонах нефтегазовых месторождений с
назначенной достоверностью и точностью.
Теоретическая и практическая значимость работы заключается
в обосновании программно-целевого подхода к постановке
геодезических работ, выполняемых в составе мониторинговых
наблюдений за геодинамическими и геомеханическими процессами на геодинамических полигонах нефтегазовых месторождений.
Методы исследования. Задачи, поставленные перед
диссертационным исследованием, решались на основе теории вероятностей, теории погрешностей измерений, математической статистики, линейной алгебры, анализа результатов повторных высокоточных геодезических наблюдений.
Научные положения, выносимые на защиту:
1. Геодезический мониторинг деформационных процессов,
осуществляемый на геодинамических полигонах нефтегазовых
месторождений, предусматривает создание системы повторных
геодезических наблюдений с учетом факторов, определяющих
эффективность их результатов с позиций оперативного установления
достоверных и репрезентативных кинематических характеристик
геодинамических и геомеханических процессов, получивших развитие
на территориях месторождений.
2. Решение геодинамических и геомеханических задач
геодезическими методами на геодинамических полигонах
месторождений углеводородного сырья наиболее успешно достигается
при условии исключения влияния на результаты повторных
геодезических наблюдений побочных факторов, не имеющих
отношения к изучаемым природным и техногенным деформационным
процессам.
3. Организация геодезических наблюдений на геодинамических
полигонах нефтегазовых месторождений выполняется в соответствии с
программно-целевым подходом к постановке геодезических работ,
выбору местоположения, типа (конструкции) и глубин закладки
опорных (исходных) и деформационных нивелирных пунктов.
Апробация работы. Основные положения диссертации были
доложены на Международном конгрессе «Наука и инновации в
современном строительстве – 2012» (СПб, СПбГАСУ, октябрь 2012 г.),
Международной научно-практической конференции «Актуальные
проблемы архитектуры и строительства» (СПб, СПбГАСУ, июнь 2013
г.), Всероссийской научно-технической конференции с международным
участием «Геомеханика в горном деле» (Екатеринбург, ИГД УРО РАН,
октябрь 2013 г.), Международной научно-практической конференции
«Механика горных пород при разработке месторождений
углеводородного сырья» (СПб, НМСУ «Горный», май 2015 г.), 71-ой
научной конференции профессоров, преподавателей, научных
работников, инженеров и аспирантов Санкт-Петербургского
государственного архитектурно-строительного университета (СПб, СПбГАСУ, октябрь 2015 г.), заседаниях кафедры «Геодезия»
СПбГАСУ, научно-технических советах ООО «Научно-
Производственное Объединение «ЭНЕРГОГАЗИЗЫСКАНИЯ».
Достоверность и обоснованность результатов работы
подтверждается представительностью результатов экспериментальных
повторных геодезических наблюдений, согласованностью результатов
теоретических заключений с результатами экспериментальных
повторных геодезических наблюдений, выполненных на
изыскательском Нововоронежском и техногенном Криворожском геодинамических полигонах.
Практическая значимость. В диссертационной работе
разработаны научно обоснованные принципы программно-целевого подхода к постановке геодезических наблюдений за геодинамическими и геомеханическими процессами на геодинамических полигонах нефтегазовых месторождений с учетом особенностей проявления в пространстве и во времени изучаемых деформационных процессов. Полученные результаты могут быть использованы проектными организациями при составлении проектов геодезических работ и маркшейдерскими службами нефтегазодобывающих предприятий при проведении мониторинговых наблюдений за состоянием недр и земной поверхности.
Личный вклад автора состоит в непосредственном участии во всех этапах диссертационного исследования, включая постановку задач и выбор способов их решения; в проведении теоретических исследований, обобщении и анализе результатов экспериментальных наблюдений; в разработке и научном обосновании теоретических основ программно-целевого подхода к постановке геодезических работ на геодинамических полигонах нефтегазовых месторождений.
Публикации. Основное содержание диссертационного
исследования отражено в автореферате и в 11 работах соискателя, в числе которых 6 работ опубликовано в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, трех разделов и заключения, изложенных на 134 страницах машинописного текста, содержит 19 рисунков, 12 таблиц и списка литературы из 125 наименований.
Постановка и методы изучения геодинамических и геомеханических процессов на геодинамических полигонах нефтегазовых месторождений
В настоящее время основным нормативным документом, регламентирующим создание ГДП (наблюдательных станций) на месторождениях нефти и газа, является Инструкция по производству маркшейдерских работ [59]. Повторное нивелирование выполняется в рамках требований Инструкции по нивелированию I, II, III и IV классов [58], являющейся обязательной для всех организаций и предприятий, выполняющих топографо-геодезические работы на территории Российской Федерации.
Согласно Инструкции [59], на каждое месторождение разрабатывается Технический проект на основе горно-геологического обоснования (ГГО), включающий технические решения по созданию систем наблюдений за геодинамическими, геомеханическими и при необходимости – за геокриологическими процессами. Однако четких требований, касающихся непосредственно технических решений по организации ГДП и постановки наблюдений на нем, Инструкция [59] не содержит. В частности, не регламентируется схема геодезических построений, конструкции геодезических и нивелирных пунктов, не приведены рекомендации по оценке их устойчивости, выбору оптимальной методики наблюдений, частоты опроса сетей и другие методические рекомендации, касающиеся постановки повторных геодезических наблюдений. Даны рекомендации лишь относительно частоты заложения реперов по линиям нивелирования (300-500 м, а в зоне предполагаемых тектонических нарушений – 100 м), а также рекомендации, касающиеся общей продолжительности наблюдений. Их, согласно Инструкции [59], следует прекращать, когда в течение последних двух-трех измерений, выполненных после завершения разработки месторождения и периода опасных деформаций, значения горизонтальных и вертикальных подвижек соизмеримы с погрешностями измерений.
Некоторые рекомендации по наблюдениям за деформационными процессами на нефтегазовых месторождениях изложены в Руководящем техническом материале (РТМ) по проведению геодезических работ при изучении влияния техногенных процессов на деформацию земной поверхности [102], разработанном в 70-х гг. прошлого столетия и имеющем статус действующего в настоящее время. Согласно РТМ [102], ГДП должны представлять собой систему линий нивелирования, пересекающих месторождение и образующих в пределах его границ несколько замкнутых полигонов с периметрами 25-50 км каждый. Опорные репера (минимум четыре) закладывают за границей месторождения на расстоянии, равном 6-8-кратой глубине нижнего эксплуатируемого горизонта, но не менее 5 км. Закрепление линий нивелирования осуществляется стандартными типами реперов, предусмотренных действующими нормативными материалами. Наблюдения проводятся по программе нивелирования II класса. Первое повторное нивелирование выполняется через 3-4 года. В дальнейшем периодичность наблюдений устанавливается исходя из полученных скоростей смещений земной поверхности, однако разъяснений по этому поводу в РТМ не содержится.
Частично рекомендации по проведению геодезических исследований на объектах топливно-энергетического комплекса (ТЭК) содержатся в Руководстве по геодинамическим наблюдениям и исследованиям для объектов ТЭК [100], согласно которому для наблюдений за техногенными и тектоническими современными движениями земной поверхности, деформациями горных массивов и др. [100] в пределах ГДП создаются локальные плановые, высотные или планово-высотные сети с расположением опорных (исходных) пунктов за пределами «зоны воздействия» названных процессов. Конкретных рекомендаций относительно планового положения линий повторного нивелирования, частоты заложения геодезических и нивелирных пунктов, их конструкции и оценке устойчивости, выбора оптимальной методики наблюдений, в Руководстве [100] не содержится. Приводятся лишь не аргументированные и научно не необоснованные рекомендации относительно периодичности наблюдений: от 1 раза в месяц до 1 раза в год «в зависимости от решаемых задач», однако без соответствующих уточнений.
Рекомендации по наблюдениям за деформациями земной коры на техногенных ГДП также изложены в Методических указаниях «Геодезические методы изучения деформаций земной коры на геодинамических полигонах» [46], в соответствии с которыми для изучения смещений земной поверхности на ГДП месторождений полезных ископаемых развивается сеть нивелирования в виде системы пересекающихся линий, образующих полигоны с периметром 25-50 км. Концы линий нивелирования должны выходить за его границы не менее, чем на 10 км. Повторные наблюдения рекомендуется выполнять с интервалом в 3-4 года по программе нивелирования II класса. Изложенные рекомендации одинаково распространяются как на месторождения твердых полезных ископаемых, так и на месторождения углеводородного сырья.
На необходимость изучения деформационных процессов в пределах подрабатываемых территорий указано также в СП 11-104-97 «Инженерно-геодезические изыскания для строительства» [55], в котором содержатся рекомендации лишь относительно структурного построения линий нивелирования - вдоль и вкрест подрабатываемых территорий, а также расположения исходных пунктов, которые следует выносить «за пределы границ возможных вертикальных смещений». Требований к выбору методики, периодичности и точности определения вертикальных смещений земной поверхности в СП 11-104-97 [55] не содержится.
Формирование и оценка факторов, определяющих эффективность результатов повторных геодезических наблюдений за геодинамическими и геомеханическими процессами
В результате изменений влажностного режима в приповерхностных слоях земной коры, обусловленного выпадением осадков, испарением, колебаниями температуры атмосферного воздуха, изменением уровня грунтовых вод, транспирационной деятельностью древесных насаждений, искусственным замачиванием или подсушиванием грунтов и многими другими причинами, происходят объемные деформации горных массивов, в частности, набухание и усадка. Процессы набухания (увеличения объема грунта при увлажнении) и усадки (уменьшения объема грунта при снижении влажности) характерны для глинистых грунтов, отличительной особенностью [108] которых является высокое содержание минеральных частиц размером менее 0,005 мм.
На территории нашей страны набухающие грунты довольно широко распространены в Нижнем и Среднем Поволжье, на Северном Кавказе, в Крыму и других южных районах. К ним относят некоторые типы юркских, хвалынских, майкопских, сарматских, аральских [69,109] и иного возраста глин.
Набухание маловлажностных глинистых грунтов при их увлажнении представляет собой сложный физико-химических процесс [109,115], обусловленный адсорбцией воды поверхностью глинистых частиц, осмотическим и капиллярным явлениями. Степень набухания маловлажностных глин зависит [109,115] от их минералогического состава, от влажности и плотности грунта, а также от величины действующего давления и может изменяться в пределах [69] от 1 до 45%. Объемное набухание грунтов с нарушенной структурой (антропогенные глинистые грунты) может достигать 200-300% и более. Объемная величина усадки глинистых грунтов варьирует в диапазоне от 5 до 35% [69].
Характер пространственно-временного проявления процессов набухания и усадки глинистых грунтов зависит от климатических условий и изменяется с глубиной вследствие неоднородности теплового и влажностного режимов в приповерхностных слоях земной коры. Так, результаты изучения послойных деформаций глинистых грунтов [109] под воздействием климатических факторов в г. Керчи показывают (рисунок 2.5), что верхний слой грунта (0–1 м) в данном районе поднимается с ноября по апрель вследствие увеличения его влажности за счет атмосферных осадков и таяния снега, общий объем которых за данный период составляет ок. 60% от годовой нормы. С мая по октябрь несмотря на увлажнение грунта атмосферными осадками (40% от годовой нормы) происходит опускание верхнего слоя в результате значительного испарения и уменьшения его влажности на 7-8%. На глубине 3 м опускание грунта наблюдается в осенне 49 весенний период. Летом слои грунта на этой глубине начинают подниматься, а к осени их подъем постепенно прекращается, что связано с уменьшением влаги на глубине 3 м до апреля и ее последующим накоплением в летний период.
Анализ результатов изучения [104,113,127] устойчивости геодезических и нивелирных пунктов, заложенных в глинистых грунтах, показывает, что в результате процессов набухания и усадки они могут получать значительные вертикальные смещения, достигающие 10 мм и более в зависимости от климатических условий и глубины их закладки.
Повторные высокоточные геодезические наблюдения [127], проводившиеся на протяжении 3-х лет на специально созданных микрополигонах в районе г. Кривой Рог в комплексе с метеорологическими, геотермическими и гидрологическими наблюдениями, показали, что грунтовые репера (тип 160 [58,96], глубина закладки 2,02,2 м) в результате изменений влажности в приповерхностных слоях земной коры, сложенных тяжелыми, плотными глинами, испытывают вертикальные смещения от 3,5 до -6,8 мм на протяжении года (рисунок 2.6).
График вертикальных смещений грунтового репера, заложенного в тяжелые, тугопластичные глины на глубину 2 м С апреля по октябрь наблюдается опускание грунтовых реперов, что объясняется испарением влажности с поверхности грунта, иссушением и усадкой приповерхностных слоев земной коры в данный период, характеризующийся высокими температурами воздуха (30-40С) и относительно небольшим количеством атмосферных осадков (в среднем 268 мм). С октября по март происходит увеличение влажности грунта, поскольку испарение практически отсутствует, что приводит к подъему грунтовых реперов.
Амплитуда вертикальных смещений фундаментальных реперов (тип 160 [96]), заложенных на глубину 3,2 м в аналогичных инженерно-геологических условиях, не превышает 2 мм (рисунок 2.7). Характер их вертикальных смещений на протяжении года мене выраженный, что объясняется более стационарным тепловым и влажностным режимом с увеличением глубины [47,109].
Исследование и математическое моделирование механизма воздействий влажностного режима приповерхностных слоев земной коры на результаты повторных геодезических наблюдений
Из выражения (2.18) следует, что закладка смежных нивелирных пунктов в суглинки (у =1,75 г/см 3 ; Е0 =5 МПа; //=0,3 [90]) и глины (у =1,75 г/см 3 ; 0 =7 МПа; //=0,42 [90]) при предельной погрешности определения смещений земной поверхности предт=0,5 мм допустима лишь в случае, когда мощность их слоя z не превышает 10,8 м. В случае закладки нивелирных пунктов в неоднородные по степени деформируемости горные породы при неодинаковой мощности слоя четвертичных отложений необходимо соблюдать следующее условие: (z )2Ay 2(/л1)2 (zk)2Ayk 2(/лк)2 2ії(1 Ту h 2 (1 Ту ) пред ту- (2.19) Т ак, со г л асно выражения (2.19) закладка смежных нивелирных пунктов в супеси (у = 1,65 г/см 3 ; Е0 =7 МПа; //=0,3 [90]) и суглинки (у = 1,75 г/см 3 ; Е0 =5 МПа; //=0,35 [90]) мощностью z=100 и z=150 м соответственно допустима лишь при значении предельной погрешности определения смещений земной поверхности и =0,83 мм и более.
Изменение уровня грунтовых вод вследствие откачки подземных вод. Изменение УГВ оказывает физико-механическое воздействие на приповерхностные слои земной коры, а именно: при понижении УГВ происходит уплотнение приповерхностных слоев земной коры и оседание земной поверхности, при повышении УГВ - разуплотнение грунтов и их подъем. В результате деформирования горных массивов и земной поверхности смещения получают геодезические и нивелирные пункты, которые закладываются в приповерхностные слои земной коры. Для оценки вертикальных смещений приповерхностных слоев земной коры AhWB , вместе с которыми смещаются нивелирные пункты, при равномерном понижении УГВ может быть использовано следующее выражение [115]: АНУГВ= Ра 2-У2-Н1 (2-20) где рт2 - коэффициент вторичной относительной сжимаемости поровой жидкости, см2/кгс; у 2 изменение объемной массы грунта, кг/см3, у2 = у -у , (у - объемная масса грунта выше УГВ; у – объемная масса грунта, взвешенная вводе, y =(ys -yw)-(l-e), где ys и yw - объемные массы скелета грунта и воды; е - пористость грунтов); Hj первоначальный УГВ над поверхностью уплотняемой толщи, см. В соответствии с выражением (2.20) при первоначальном УГВ Hj=\000 см, коэффициенте объемной сжимаемости жидкости ра2 =0,01 см2/кгс, увеличении объемной массы на величину у2 =0,001 кг/см3 осадка земной поверхности в результате водопонижения составит Лкугв=5 см, при увеличении объемной массы на величину у2 =0,002 кг/см3 - 10 см.
Из выражения (2.20) следует, что величина оседания земной поверхности в результате водопонижения зависит от физико-механических свойств горных пород (их объемной массы у). Следовательно, изменение УГВ может привести к неоднородным вертикальным смещениям нивелирных пунктов, заложенных в различных инженерно-геологических условиях.
Оценка влияний физико-механической неоднородности горных пород на результаты повторного нивелирования может быть произведения в соответствии со следующим выражением: -2Р,02-Щ У 2-У2) ПРС6Щ } Ш- (2,1) где 72 и У2 – изменение объемной массы горных пород, залегающих у оснований /-го и -го нивелирных пунктов. Согласно выражения (2.21) при увеличении объемной массы горных пород, залегающих у основания /-го нивелирного пункта, на величину у2=0,0015 кг/см , у основания к-го нивелирного пункта - на величину у2 =0,001 кг/см3, первоначальном УГВ Я7=500 см, коэффициенте объемной сжимаемости жидкости / =0,01 см2/кгс разность их осадок в результате водопонижения составит 6,3 мм, что приведет к искажению результатов повторного нивелирования при предт 6,3 мм.
При невозможности соблюдения условий (2.10), (2.13), (2.14), (2.15), (2.17), (2.18), (2.19) и (2.21) относительно инженерно-геологической однородности горных пород в местах закладки геодезических и нивелирных пунктов ослабление влияний экзогенных факторов на результаты повторных геодезических наблюдений может быть достигнуто путем введения соответствующих поправок [31]. Исключение таких влияний может быть достигнуто также выбором соответствующей глубины закладки конструкций геодезических и нивелирных пунктов, превышающей глубину сезонного изменения температур приповерхностных слоев земной коры, охватывающих толщу горных пород от земной поверхности до «нейтрального слоя» Atz0,1С [31,47]. Как известно [35,115], сезонные изменения температурного режима приповерхностных слоев земной коры провоцируют развитие тепловых и влажностных деформаций горных пород, залегающих у оснований геодезических и нивелирных пунктов, вызывают температурные деформации их конструктивных элементов, порождают сложнодифференцированные в пространстве и во времени смещения геодезических и нивелирных пунктов, которые вносят искажения в результаты повторных геодезических наблюдений [9,31].
Новый подход к проектному обеспечению достоверности результатов повторных геодезических наблюдений за геодинамическими и геомеханическими процессами на геодинамических полигонах нефтегазовых месторождений
В соответствии с выражениями (3.2) и (3.3) при закладке трубчатого грунтового репера в пылевато-глинистые грунты со степенью водонасыщения свыше 30% при мощности слоя сезонного оттаивания грунтов z1=200 см, температуре мерзлых грунтов -4С глубина его закладки должна быть не менее 416 см, а при степени водонасыщения от 10 до 30 % – 368 см.
Профильные линии (линии повторного нивелирования) предназначены для контроля техногенных смещений земной поверхности и устойчивости опасных производственных объектов на фоне их проявления. В соответствии с этим профильные линии прокладываются непосредственно в местах эффективного отбора нефти или газа вкрест простирания разрабатываемых залежей; прогнозируемых зонах максимального снижения пластового давления, деформаций пластов-коллекторов, горных массивов и земной поверхности, установленных по результатам ГГО создания ГДП.
Закрепление профильных линий на местности осуществляется опорными и деформационными нивелирными пунктами по аналогии с закреплением геодинамических профилей. Опорные пункты при этом должны размещаться вне зон проявления техногенных геомеханических процессов. Контрольные кусты геодезических и нивелирных пунктов создаются для определения и дальнейшего уточнения кинематических характеристик деформаций земной поверхности, оценки деформаций пластов-коллекторов, установления взаимосвязи между деформациями горных массивов, земной поверхности и деформациями оснований инженерных объектов и в зависимости от поставленных задач имеют несколько вариантов структурного исполнения: - для контроля техногенных смещений земной поверхности контрольные кусты геодезических и нивелирных пунктов создаются в пределах отдельных площадок размером не более 100100 м и включают опорный нивелирный пункт (опорный глубинный репер) и деформационный нивелирный пункт (фундаментальный репер типа 161 [58]). Размещение опорного и фундаментального реперов на расстоянии до 90-100 м позволяет определять между ними превышения с одной нивелирной станции I класса геометрического нивелирования [79] с максимально возможной точностью, характеризуемой средней квадратической погрешностью тКст (0,04 - 0,07 мм). - для контроля деформаций конкретного пласта-коллектора в непосредственной близости друг от друга выбирают две скважины с таким расчетом, чтобы основание (забой) одной из них находилось ниже отрабатываемой залежи (пласта-коллектора), а основание (забой) второй - выше контролируемого пласта-коллектора, и переоборудуют их соответственно в опорный глубинный репер и деформационный глубинный репер, между которыми прокладывается линия повторного нивелирования, закрепляемая грунтовыми реперами типов 150, 160, 162,165 [58]).
В случае одновременного отбора углеводородного сырья с нескольких горизонтов деформационный глубинный репер оборудуется над каждым пластом-коллектором. Изменения высот фундаментальных реперов характеризуют суммарные деформации земной поверхности, а деформационных глубинных реперов - деформации конкретного пласта коллектора. - для установления взаимосвязи между деформациями горных массивов, сдвижениями земной поверхности и деформациями оснований инженерных объектов контрольный куст геодезических и нивелирных пунктов включает опорный нивелирный пункт и деформационный нивелирный пункт инженерного объекта (марку или репер), между которыми прокладывается линия повторного нивелирования, закрепляемая грунтовыми реперами типов 150, 160, 162,165 [58].
Фундаментальные реперы, закладываемые в паре с опорными или деформационными глубинными реперами и оборудуемые устройством принудительного центрирования согласно [97], образуют однородную по точности опорную планово-высотную геодезическую сеть, состоящую из максимально приближенных к равносторонним треугольников (геометрия самой высокой точности определения координат х, у, z (И) пунктов спутниковой геодезической сети). Определение взаимного положения фундаментальных геодезических пунктов методами космической геодезии обеспечивает точность не ниже 3мм + 510-8 (где D - расстояние между пунктами) по каждой из плановых координат и 5мм + 710-8 - по геодезической высоте [101].
Одновременно со спутниковыми наблюдениями на контрольном кусте геодезических и нивелирных пунктов между опорным глубинным, деформационным глубинным и фундаментальным реперами выполняется повторное высокоточное нивелирование. Рисунок Структурная схема наблюдательной сети геодинамического полигона 3.2.2 Научное обоснование параметров и технологии постановки повторных геодезических наблюдений на геодинамических полигонах нефтегазовых месторождений При построении геодезических сетей для наблюдений за геодинамическими и геомеханическими процессами на ГДП нефтегазовых месторождений возникает необходимость обоснования параметров повторных геодезических наблюдений, поскольку от них зависят выбор методики и средств измерений и, как следствие, объем финансовых и трудовых затрат на их производство.
К параметрам повторного нивелирования, являющегося основным методом изучения геодинамических и геомеханических деформационных процессов на ГДП нефтегазовых месторождений, относятся, прежде всего, ожидаемая погрешность повторного нивелирования тож; протяженность линий нивелирования L; периодичность повторных геодезических наблюдений г; продолжительность инструментальных наблюдений АТгж в пределах одного геодезического построения (геодинамического профиля, профильной линии или контрольного куста геодезических и нивелирных пунктов) в каждом цикле повторных наблюдений; продолжительность ЛТщп инструментальных наблюдений на ГДП в каждом цикле повторных наблюдений; календарные даты начального D0 и последующих Dj циклов повторных инструментальных наблюдений на ГДП.