Механика горных пород при разработке месторождений углеводородного с.-1

неотектоники, инженерной геологии, геоморфологии, чтобы в последующем объективно оценить правильность проектных ре­ шений и возможность возникновения опасных природнотехногенных явлений.

3.8.2.СТРУКТУРНОЕ ПОСТРОЕНИЕ СЕГИ НИВЕЛИРОВАНИЯ

ИОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ МЕТОДИКИ ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТ

ПО НИВЕЛИРОВАНИЮ

Самым точным методом определения вертикальных сдвиже­ ний земной поверхности остается метод повторного геометриче­ ского нивелирования. Вертикальная составляющая сдвижений земной поверхности наиболее информативна при определении мульды сдвижений земной поверхности.

Наблюдательная станция должна состоять из двух или трех линий реперов: центральной, проходящей по простиранию ме­ сторождения (падения пластового давления), и одной или двух линий, расположенных вкрест простирания (падения пластового давления) залежи. Число линий вкрест простирания зависит от конфигурации залежи. Допускается строительство на месторож­ дении одной профильной линии реперов, если площадь месторо­ ждения не превышает 20 км2, прогнозные максимальные оседа­ ния земной поверхности при падении давления в среднем на ме­ сторождении на 4 МПа не превышают 100 мм.

При выборе мест расположения профильных линий, мест за­ кладки реперов следует руководствоваться следующими принци­ пами:

1)реперы должны располагаться в непосредственной близо­ сти от основных промышленных сооружений нефтепромысла, так как основное назначение любой наблюдательной станции - ис­ следование процессов сдвижения в районе сооружений, контроль развивающихся деформаций в подрабатываемых объектах;

2)реперы должны закладываться в благоприятных условиях с позиции инженерной геологии, т.е. следует избегать оползневых участков, крутых склонов, заболоченных участков, участков карстоообразования, участков оврагообразования и т.д. Профильная линия, по возможности, не должна проходить через сложный рельеф;

3)профильные линии должны, по возможности, проходить через эффективные максимально нефтенасыщенные мощности коллектора и пересекать максимально возможное число струк­ турных особенностей месторождения, так как геодинамика недр, прежде всего, определяется смещением по крупным тектониче­ ским нарушениям и линеаментным структурам. Другим условием

должно быть прохождение профильных линий через зоны суще­ ствующего и прогнозного максимального падения пластового давления, т.е. фактически через зону максимальных оседаний.

При определении длин профильных линий реперов следует руководствоваться, прежде всего, накопленными сведениями о граничных углах сдвижения на уже исследованных месторожде­ ниях на территории проектируемого к отработке месторождения. При отсутствии этих сведений его минимальное значение опре­ деляется расчетами, изложенными в данной главе, с привлечени­ ем специализированных организаций и уменьшается согласно рекомендациям нормативных документов [12, 16, 17] на величи­ ну поправки ДРо = 10°. В том случае если полученное расчета­ ми значение граничного угла сдвижения больше, чем полученное на уже исследованных месторождениях, то в качестве граничного угла сдвижения следует принять его минимальное из зафиксиро­ ванных инструментальными наблюдениями значений, уменьшен­ ное на величину поправки др0 = 10°. Под определенным с уче­ том поправки граничным углом, откладываемым от нижней гра­ ницы ВНК, должны располагаться кусты опорных реперов. По мере накопления результатов наблюдений величина граничного угла сдвижения уточняется.

Куст опорных реперов должен состоять не менее чем из трех опорных реперов, заложенных в вершинах треугольника со сто­ ронами в среднем 50 м. Рекомендуется располагать опорные ре­ пера так, чтобы была возможность измерять превышения между ними с одной станции.

При определении расстояний между реперами следует ис­ пользовать следующие подходы.

Расстояние между рабочими реперами должно быть примерно одинаковым и составлять в среднем 200-300 м при глубине зале­ гания продуктивных объектов 2-2,5 км, так как прогнозируемые незначительные величины оседаний и горизонтальных сдвиже­ ний, а также большая глубина разработки обусловливают воз­ никновение плавной мульды сдвижений. Практика наблюдений на месторождениях с глубиной залегания коллекторов 4 км и выше свидетельствует о том, что вполне приемлемы расстояния между рабочими реперами до 1 км.

Реперы, располагаемые через 300 м и более, должны заклады­ ваться по возможности на возвышенных местах, не подвержен­ ных оползневым явлениям. В местах пересечения профильными линиями рек и крупных предполагаемых структурных особенно­ стей горного массива рекомендуется сгущение реперов до 2050 м и использование обычных реперов забивного типа, которые, по данным Г.Л. Фисенко, вполне устойчивы в слабых грунтах.

На данных участках земной поверхности дополнительно измеря­ ют горизонтальные деформации земной поверхности путем изме­ рения расстояний между реперами. Используют стальные компарированные рулетки и жесткие отвесы. Расстояния между репе­ рами измеряют в прямом и обратном направлениях. Расхождение горизонтальных расстояний между крайними реперами прямого и обратного ходов не должно превышать 1/10000 длины про­ фильной линии. Допускается использование светодальномеров и электронных тахеометров, дающих среднюю квадратическую ошибку измерения длины до 5 мм.

В случае добычи нефти под комплексом зданий (поселок, район города, производственное предприятие с большим числом сооружений) для наблюдения выбираются наиболее значимые по характеру использования сооружения и на них ведут наблюдения по стенным и грунтовым реперам, а также закладывают про­ фильные линии по определенным направлениям (вдоль улиц, осей расположения объектов и т.д.). На застроенных территориях для исключения возможности повреждений подземных коммуни­ каций места закладки реперов согласуются с местными органами власти.

По рабочим реперам профильных линий рекомендуется вы­ полнять нивелирование по методике 2 класса. Нивелирование между опорными реперами следует выполнять также по методи­ ке 2 класса. Программа и методика нивелирования 2 класса, вы­ полняемого оптическими нивелирами, должна соответствовать программе и методике, описанной в Инструкции по нивелирова­ нию 1, 2, 3 классов in i.

Перед началом очередной серии наблюдений определяются высотные отметки опорных реперов. Высотные отметки всех опорных пунктов должны быть неизменны на протяжении всех циклов наблюдений. Если отметки опорных реперов, полученные из второй серии наблюдений, сопоставимы (в пределах погреш­ ности их определения) с отметками реперов, полученными из первой серии, разрешается производство наблюдений по рабочим реперам наблюдательной станции.

Периодичность наблюдений должна быть различной. В на­ чальной стадии разработки месторождения (на упругом режиме), когда будет наблюдаться интенсивное падение пластового давле­ ния и ожидается вслед за этим активное оседание поверхности, рекомендуются относительно учащенные наблюдения - 1 раз в год (период 5 лет). В последующем в зависимости от скорости роста максимальных оседаний рекомендуется рассмотреть вопрос о проведении наблюдений 1 раз в два года или наоборот 2 раза в год. В случае возникновения сейсмических явлений или при иН­

тенсивном развитии процессов оседания (максимальное оседа­ ние - более 100 мм в год) необходимо выполнять наблюдения 2 раза в год. При возникновении в районе месторождения техно­ генного сейсмического явления рекомендуется, по возможности, в кратчайшие сроки выполнить дополнительный цикл наблю­ дений.

При обнаружении мест концентрированных деформаций, свя­ занных с тектоническими нарушениями, при наличии в данных местах инженерных сооружений (нефтепроводы, водоводы, кусты скважин, ДНС, КНС, зоны промышленной и гражданской за­ стройки и т.д) рекомендуется увеличить число выполняемых циклов наблюдений в таких местах до 2 ежегодно.

Согласно требованиям Инструкции по нивелированию [11], все высотные сети локальных и площадных геодинамических полигонов должны быть привязаны к высотной основе России для получения высот в единой Балтийской системе. Нивелирную сеть в этом случае рассматривают как свободную с опорой на один пункт государственной высотной сети.

При камеральной обработке результатов наблюдений оптиче­ ского нивелирования проверяются заполнение и состояние поле­ вых журналов, контроль правильности выполнения полевых ра­ бот. Полевые журналы проверяются в две руки, в журналах осу­ ществляются постраничный контроль.

Разность пяток реек на станции, контроль разницы превыше­ ний из прямого и обратного хода осуществляется непосредст­ венно при полевых измерениях.

Уравнивание нивелирной сети рекомендуется выполнить как строгое уравнивание.

Абсолютные отметки каждого цикла наблюдений следует оп­ ределять от опорных реперов по уравненным превышениям.

Суммарные оседания следует определять как разницу абсо­ лютных отметок первого и текущего циклов наблюдений.

Начальная серия наблюдений на полигоне должна быть вы­ полнена до начала пробной эксплуатации месторождения, но не ранее чем за 3 месяца после окончания работ по закладке репе­ ров наблюдательной станции. После окончания каждой серии наблюдений осуществляется обработка полевых измерений. Ре­ зультаты наблюдений оформляются в соответствии с требова­ ниями пункта 254 «Инструкции по производству маркшейдер­ ских работ». По результатам вычислений по каждой профильной линии на вертикальном разрезе строятся графики оседаний и, в случае необходимости, скоростей оседаний реперов, верти­ кальных (наклон и кривизна) деформаций. После очередной серии наблюдений графики пополняются. Графики горизон­

тальных сдвижений и деформаций строятся только для тех уча­ стков, где выполняются измерения длин линий между интерва­ лами.

3.8.3. СТРУКТУРНОЕ ПОСТРОЕНИЕ СЕГИ ПУНКТОВ, ОПРЕДЕЛЯЕМЫХ С ПОМОЩЬЮ СПУТНИКОВЫХ РАДИОНАВИГАЦИОННЫХ СИСТЕМ (СРНС)

При выборе радионавигационной системы для проведения на­ блюдений рекомендуется отдать предпочтение Global Positioning System (GPS), производства США, функционирующей в настоя­ щее время в полном составе [11, 12, 13].

При выборе мест закладки опорных и рабочих реперов GPS-сети необходимо придерживаться следующих рекомен­ даций:

1.Опорные реперы должны располагаться за границей гра­ ничного угла сдвижения и, по возможности, вдали от границ тектонических разломов и элементов линеаментной сети. В про­ екте должна быть предусмотрена закладка не менее четырех опорных реперов, расположенных в разных частях объекта.

2.Рабочие реперы располагаются по территории всего объекта равномерно вблизи от основных промышленных сооружений нефтепромысла, причем плотность рабочих пунктов должна быть не менее одного пункта на 5 км2.

3.Условия радиовидимости на всех пунктах сети должны обеспечивать прием сигналов спутников без помех во время про­ ведения сеанса наблюдений по всему горизонту антенны для уг­ лов возвышения а > 15°.

4.Пункты сети необходимо располагать как вдали от транс­ форматорных станций, ЛЭП и других объектов, способных соз­ давать внешние электромагнитные поля, так и вдали от отра­ жающих радиосигнал поверхностей (металлических сооружений, водных поверхностей, оград, железобетонных конструкций), что­ бы избежать эффекта многопутности (многолучевости).

5.Необходимо избегать непосредственной близости промыш­ ленных объектов, вызывающих вибрацию. Это явление затруднит неизменное положение фазового центра над пунктом во время продолжительных наблюдений.

6.Пункты должны быть заложены в благоприятных условиях

сточки зрения инженерной геологии, т.е. следует избегать оползневых участков, крутых склонов, участков оврагообразования и т.д.

7.Пункты при возможности должны быть совмещены с репе­ рами нивелирной сети.

8. Пункты сети должны располагаться таким образом, чтобы обеспечивались их долговременная сохранность и оперативная доставка к ним исполнителей и оборудования автотранспортом.

При создании GPS-сети рекомендуется пользоваться следую­ щими принципами:

в проекте рабочие и опорные реперы образуют сеть связан­ ных многоугольников;

направления и число измеряемых векторов в сети рекоменду­ ется определять методом оптимальной триангуляции, т.е. триан­ гуляции с минимальным числом и суммарной длиной ребер;

в последующих циклах наблюдений геометрия сети не меня­ ется при условии сохранности числа пунктов и их расположения.

3.8.4.ПРОВЕДЕНИЕ НАБЛЮДЕНИЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СПУТНИКОВЫХ НАВИГАЦИОННЫХ СИСТЕМ

Весь цикл работы со спутниковой аппаратурой любого произ­ водителя можно разделить на три этапа [5, 6, 7]:

планирование и подготовка измерений; производство измерений; обработка результатов измерений.

Все три этапа тесно связаны между собой, качество выполне­ ния каждого последующего этапа зависит от качества выполне­ ния предыдущего. Поэтому при производстве спутниковых изме­ рений необходимо ко всем стадиям процесса работ подходить с должной ответственностью.

Планирование и подготовка измерений

Процедура подготовки спутниковой аппаратуры к полевым наблюдениям на геодинамической сети включает проверку нор­ мальной работоспособности GPS-аппаратуры и инициализацию исходных данных.

Процесс инициализации сводится к установлению начальных данных, которые должны быть оптимальными и одинаковыми для всех участвующих в сеансе и синхронно работающих спут­ ников. Это - время начала и окончания сеанса наблюдений, ско­ рость сбора данных, ограничения по минимальному углу возвы­ шения спутника над горизонтом.

Перед производством GPS-измерений на каком-либо пункте необходимо провести поиск подходящего временного интервала для наблюдений. Эта процедура выполняется с помощью специ­ альных утилит фирменных программных продуктов, поставляе­

мых совместно с приемниками, например; Satellite Availability в LGO, QuickPlan в TGO или Planning a PRISM. Кроме схемы препятствий для расчета необходимо Подготовить географиче­ ские координаты пунктов в системе координат WGS-84 с точно­ стью до 1°, дату и планируемое время наблюдений.

Проведение наблюдений следует планировать в благоприят­ ные периоды, когда число принимаемых спутников максимально, но не меньше 5, а геометрический фактор понижения точности (DOP) имеет минимальное значение, как правило, GDOP < 4.

При планировании всего процесса спутниковых наблюдений немаловажным фактором является число одновременно рабо­ тающих приемников. Идеальный вариант, *согда существует воз­ можность использовать число приемников, равное числу пунктов в сети. Это позволяет не только сократить время проведения цикла, но и отнести все результаты измерений к одному моменту времени. Однако в реальной работе рекомендуется использовать не менее трех приемников.

Производство измерений

Для достижения высокой точности GPS-измерения следует осуществлять относительным методом. Этот метод основан на измерении направленного отрезка (вектора) между фазовыми центрами антенн двух приемников, на основе набора сигналов принятых от одного и того же набора спутников в течение ин­ тервала наблюдений.

При производстве измерений обязан выполняться полевой контроль измерений, заключающийся в повторном переопределе­ нии 10 % векторов. Длины векторов должны отличаться в пере­ делах двойной паспортной точности.

GPS-наблюдения необходимо проводить в статическом режи­ ме. Рекомендуемое время регистрации накопления - 15 с, как наиболее подходящее для геодезических наблюдений, угол отсеч­ ки принимаемых сигналов должен составлять не более 15°.

Современные двухчастотные GPS-приемники в статическом режиме за часовой период наблюдений позволяют добиться субсантиметровой точности измерений на линиях длинной 1015 км. Но для успешной борьбы с влиянием ионосферных воз­ мущений и повышения точности измерений необходимо увели­ чить продолжительность сеанса наблюдения каждой линии до 2-4 ч. При ухудшении приема сигнала на пункте, о чем свиде­ тельствует ухудшение геометрического фактора (DOP) или час­ тые срывы, длительность сеанса необходимо увеличивать. Точ­ ность измерения может быть еще повышена путем увеличения

продолжительности сеанса наблюдений до 5-6 ч, тщательным планированием и использованием высокоточного оборудования (антенн, приемников, устройств центрирования). Рекомендуется проводить измерения в ночное время суток, т.е. во время, для­ щееся с конца вечерних сумерек до начала утренних сумерек, так как при этом влияние ионосферы в 3-4 раза меньше чем днем.

Каждое ребро в сети должно быть измерено непосредственно, т.е. длина и направление каждой стороны полигона соответству­ ют длине и направлению вектора, измеренного между смежными пунктами.

Каждый пункт сети должен быть определен не менее чем от двух других и не менее чем с двух независимых установок обо­ рудования. Определение каждого пункта рекомендуется произво­ дить не менее чем тремя разными векторами.

Рекомендуется использовать принудительное центрирование приемных антенн над центрами пунктов GPS-наблюдений. До­ пускается использовать оптический центрир, обеспечивающий точностью установки не хуже 0,5-1,0 мм. Для уменьшения оши­ бок, связанных с неточностью установки спутниковой аппарату­ ры над пунктами полигона, целесообразно проводить сдвоенные равные по времени сеансы наблюдений. На пунктах, у которых отсутствует устройство принудительного центрирования, между сеансами производятся небольшое изменение высоты инструмен­ та не менее чем на 10 см и повторная центрировка. Измерение высоты установки антенны над центром пункта необходимо про­ водить специальной компарированой рулеткой с точностью не менее 1 мм. Для исключения грубых ошибок при измерении вы­ соты и учета нестабильности положения штатива необходимо проводить измерение высоты в начале и в конце сеанса наблю­ дения.

Для исключения влияния эксцентриситета фазового центра антенны, положение антенн приемников при установке необхо­ димо ориентировать в одной азимутальной плоскости по буссоли с точностью не менее 5° по нанесенным специальным меткам.

Работы на геодинамическом полигоне обычно носят цикличе­ ский характер, поэтому вид измеряемой сети и продолжитель­ ность интервалов наблюдений необходимо сохранить в после­ дующих циклах наблюдений.

Обработка результатов измерений

Алгоритм обработки циклов спутниковых измерений и их со­ поставление с традиционными методами геометрического ниве­ лирования можно представить в виде блок-схемы, представлен-

ной на рис. 3.8.1. В зависимости от имеющейся информации ва­ рианты обработки могут быть различными с сохранением по­ следовательности выполнения основных ее этапов:

постобработка результатов наблюдений; уравнивание GPS-сети;

анализ точности уравненных сетей с использованием статиче­ ских характеристик;

вычисление окончательных значений вертикальных и гори­ зонтальных векторов смещений;

графическое отображение вертикальных и горизонтальных движений земной поверхности.

Пост-обработку результатов спутниковых измерений, собран­ ных GPS-приемниками, рекомендуется выполнять с помощью лицензионного программного продукта, поставляемого вместе с GPS-аппаратурой фирмой-производителем, например: LGO для приемников фирмы «Leica», GPSurvey или TGO для приемников фирмы «Trimble», PRISM для приемников фирмы «Ashtech».

Рекомендуется также для выполнения обработки использо­ вать профессиональное программное обеспечение типа Bernese (разработка Бернского астрономического института), GIPSY (разработка JPL), GAMIT (разработка Массачусетского техноло­ гического института (MIT) и Института океанографии (SIO)) и др. Такие программы не ограничены особенностями конкретно­ го типа или модельного ряда спутниковых приемников одной фирмы-производителя и имеют расширенные функции анализа данных, отбраковки сомнительных результатов, введения различ­ ных поправок и коррекций.

При обработке спутниковых измерений следует придержи­ ваться следующих требований:

1.Алгоритм разрешения неоднозначности должен быть осно­ ван на методе использования фазовых измерений или их ком­ бинации.

2.Для моделирования и учета задержек тропосферы использовать соответствующие модели, например - Hopfield.

3.Угол отсечки принимаемых сигналов над горизонтом 15°, этот параметр необходим для ослабления влияния тропосферы, которому подвержены сигналы окологоризонтных спутников. Увеличение этого показателя приведет к увеличению погрешно­ сти определения превышения между пунктами.

4.Для учета влияния ионосферы использовать основанную

на двухчастотных измерениях вычисляемую модель.

5.При окончательной обработке векторов рекомендуется ис­ пользовать уточненные эфемериды.

6.Для векторов длинной менее 5 км рекомендуется в качест­