МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МОНИТОРИНГА ТЕХНОГЕННО-ПРИРОДНЫХ ГЕОДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ГЛОБАЛЬНЫХ НАВИГАЦИОННЫХ СПУТНИКОВЫХ СИСТЕМ (НА ПРИМЕРЕ ЮЖНОГО ПРЕДУРАЛЬЯ)
Цвяк А.В.
ORCID: 0000-0002-4561-7034, Кандидат технических наук, Отдел геоэкологии Оренбургского НЦ УрО РАН
Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ №16-45-560579 р_а
МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МОНИТОРИНГА ТЕХНОГЕННО-ПРИРОДНЫХ ГЕОДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ГЛОБАЛЬНЫХ НАВИГАЦИОННЫХ СПУТНИКОВЫХ СИСТЕМ (НА ПРИМЕРЕ ЮЖНОГО ПРЕДУРАЛЬЯ)
Аннотация
В статье рассмотрены методические основы геодинамического мониторинга с использованием глобальных навигационных спутниковых систем, которые позволяют разрабатывать технологии добычи углеводородов и их транспортировки с учетом техногенной активности недр, обеспечивая значительное снижение риска чрезвычайных ситуаций и их последствий. Так же было показано, что для обеспечения высокой точности измерений продолжительность наблюдения должна составлять не менее полутора часов, величина длин измеряемых базовых линий не должны превышать тридцати километров.
Ключевые слова: геодинамический полигон, техногенные изменения, добыча углеводородов, тектоника.Tsviak A.V.
ORCID: 0000-0002-4561-7034, PhD in Engineering, Geoecology Department of Orenburg SC UB RAS
METHODOLOGICAL BASIS OF MONITORING OF TECHNOGENIC NATURAL GEODYNAMIC PROCESSES USING GLOBAL NAVIGATION SATELLITE SYSTEMS (ON THE EXAMPLE OF SOUTH URAL)
Abstract
The article describes the methodological foundations of geodynamic monitoring using global navigation satellite systems, which enable the development of hydrocarbon production and transportation technologies, taking into account anthropogenic subsoil activity, providing a significant reduction in the risk of emergencies and their consequences. It was also shown that for high accuracy measurements of the duration of observation should not be less than one and a half hours, the value of the lengths measured baselines shall not exceed thirty kilometers.
Keywords: geodynamic polygon, technological changes, extraction of hydrocarbons, tectonics.Земная поверхность находится в постоянном движении. Одни ее участки испытывают поднятия, другие медленно опускаются. На естественные условия напряженного геодинамического состояния могут накладываться антропогенные влияния, например, при разработке и эксплуатации нефтегазовых месторождений, которые способны приводить к формированию условий возникновения разрушающих катастрофических явлений.
В Западном Оренбуржье, расположенном на Предуральской возвышенности на юге Западно-Уральского краевого прогиба, около 50 лет интенсивно эксплуатируются крупнейшее в Европе Оренбургское нефтегазоконденсатное месторождение (ОНГКМ).
Анализ геодинамической обстановки в Западном Оренбуржье позволил сделать выводы об уровне сейсмической активности в пределах платформенной части Оренбуржья. Кроме природной (естественной) сейсмичности, вызванной действием эндогенных и экзогенных факторов, значимым фактором становится техногенная сейсмичность, роль которой возрастает по мере усиления интенсивности добычи нефти и газа на месторождениях.
В отделе геоэкологии Оренбургского НЦ УрО РАН с 2008 г проводится фиксация землетрясений с помощью сети сейсмических станций, которая действует в Оренбургской области. За время наблюдений было установлено, что эпицентры землетрясений тяготеют к разломным структурам. Кроме этого, было установлено, что добыча нефти и газа влияет на сейсмическую активность в зоне интенсивной добычи углеводородов и за ее пределами. Средняя плотность зарегистрированных сейсмических событий в зонах месторождений в 2-3 раза больше, чем на остальной территории Южного Предуралья. При этом суммарная выделившаяся энергия увеличилась в 30 раз, что является предвестником возможных событий большой энергии. В пределах гидродинамической воронки плотность зарегистрированных событий в 5-6 раз больше, а выделившейся энергии в 50 раз больше, чем в среднем по Южному Предуралью [2, 3].
Землетрясений, инициированных разработкой месторождений нефти и газа, в мировой практике, в последние годы становятся все больше, среди которых имеются сильные и разрушительные [4].
В связи с этим необходимо проведение мониторинга геодинамических процессов разрабатываемых месторождений нефти и газа и прилегающих территорий. Данные работы должны быть увязаны с маркшейдерскими работами по определению координат и высотного положения реперов.
Для решения задач обеспечения геодинамической безопасности применяется ряд методов контроля состояния движений земной поверхности в естественных условиях и в условиях разработки месторождений полезных ископаемых. Традиционно для этой цели используются маркшейдерско-геодезические наблюдения по реперам профильных линий по методике нивелирования I-II классов для определения оседаний поверхности и измерения длин линий между реперами для определения горизонтальных сдвижений и деформаций. Однако применение данного метода дорогостояще, занимает весьма продолжительное время, имеет свойство накопления ошибки при увеличении площади наблюдения и числа ходов. Поэтому такой подход оказывается практически не применим на месторождениях УВ, и тем более невозможен для мониторинга современных природных геотектонических процессов в региональном масштабе, например в Южном Предуралье.
Для определения горизонтальных и вертикальных сдвижений точек земной поверхности целесообразно использовать спутниковые наблюдения с применением глобальных навигационных спутниковых систем (GPS, ГЛОНАСС, GALILEO).
Технология мониторинга напряженного геодинамического состояния территорий с применением глобальных навигационных спутниковых систем позволяет существенно сократить расходы на его проведение и повысить уровень безопасности экологических, экономических и социальных рисков. Предлагаемый методический комплекс изучения геодинамических процессов может быть применен при изучении техногенных изменений в нефтегазоносном Южном Предуралье, выявлении наиболее геодинамически активных геологических структур в платформенных условиях, исследовании гидродинамических процессов в пластовых водах и прилегающих к ним водоносных горизонтах.
Применение данного подхода накладывает определенные требования к точности измерений и условиям, в которых они выполняются. Эти требования изложены в инструкции по нивелированию. Допустимой является погрешность при измерениях II класса не более 2 мм, III класса – 5 мм и IV класса – 10 мм. [1]
Нами предложена программа мониторинга современных геотектонических процессов при ОНЦ УрО РАН. Так как скорости таких перемещений оцениваются в 5 – 10 мм в год [5], должна использоваться очень чувствительная и высокоточная аппаратура, а замеры следует проводить через большие интервалы времени. Первые опыты проведены в 2014-2015 гг. с помощью спутниковых систем высокоточного позиционирования GNSS.
Миллиметровая точность для прикладных целей в геодезии достигается тем, что используется два или более приемников. Один приемника выставляется на опорную точку, координаты которой известны, другой на ту точку, координаты которой необходимо определить, и оба приемника одновременно проводят измерения некоторое количество времени, достаточное для уверенного осреднения координат каждой точки. Затем файлы измерений, которые записывались в приемники используются для постообработки в специальном программном обеспечении, где производится калибровка совместного измерения по точке с известными координатами. Другими словами: сравнивая координаты известной точки полученные со спутника с исходными мы получаем величину ошибки в каждой из трех координатных осей, затем вносится поправка к полученным координатам определяемой точки на величину ошибки. Приемник, который устанавливается на точку с известной координатой, принято называть базовым. Приемник применяемый на точке, координаты которой необходимо определить, называют ровером.
Недостатком прямого измерений координат, с использованием базового приемника и ровера является то, что невозможно оценивать точность измерений без их многократного повторения.
Для организации системы мониторинга нами создан геодинамический полигон из 4 реперов образующих точки наблюдения. Первая точка наблюдения расположен на здании Отдела геоэкологии Оренбургского НЦ УрО РАН по адресу г. Оренбург, ул. Набережная, д. 29. Она может использоваться как базовая с известными координатами. Координаты этой точки получены с использованием базовой станции OREN сети референцных станций «Смартнет» ООО «Навгеоком». Вторая точка расположена в центре гидродинамической воронки подземных вод на территории ОНГКМ. Третья точка - контрольная, расположенная в п. Южный Урал. Она находится за пределами ОНГКМ, однако, в пределах гидродинамической воронки. Четвертая точка, расположена на Донецко-Сыртовском выступе, находится за пределами техногенного воздействия ОНГКМ и позволяет следить за развитием природных геодинамических процессов.
Для наблюдения за геодинамикой использовались двухчастотные GNSS-приемники Leica Viva. Заявленные производителем характеристики позволяет достичь приемлемой точности геодинамического контроля. Для постобработки данных, полученных от GNSS-приемников, использовался программный комплекс Leica Geo Office.
С целью оценки точности измерений и ведения мониторинга за деформацией земной поверхности были проведены наблюдения по замкнутой линии, включающей первую, вторую и третью точку наблюдения (см. рис. 1). В качестве опорной использовалась точка наблюдения на здании отдела геоэкологии.
Наблюдения на точках велись в следующем порядке. Для первого наблюдения устанавливали ровер на второй точке наблюдения. Для постобработки использовали данные полученные c базового приемника, расположенного на первом опорной точке. Далее устанавливали базовый приемник на вторую точку и использовали его для постобработки данных, полученных с ровера, который был установлен на третьей точке. В качестве опорных мы использовали координаты полученные в предыдущем наблюдении. И так далее в соответствие с рисунком 1. В последнем наблюдении мы получили координаты точки «отдел геоэкологии». Оценка точности заключалась в определении невязки на опорной точке. Допустимой невязкой принимаем 10 мм.
Полученная невязка высотной отметки точки «отдел геоэкологии» составила 2,9 мм (см. таблицу 1), что говорит о достаточно высокой точности измерений.
Рис. 1 - Порядок замеров на точках наблюдения
Результаты измерений на точках наблюдения представлены в таблице 1.Таблица 1 - Результаты контроля движения земной коры на точках наблюдения
| Точка наблюдения | Координаты | ||
| Первая (опорная) | 51° 45' 19.08811" С | 55° 06' 33.87881" В | 110,6205 м |
| Вторая | 51° 37' 04.54044" С | 54° 45' 09.25924" В | 101,6471 м |
| Третья | 51° 44' 08.99310" С | 55° 01' 55.50966" В | 76,3951 м |
| Первая | 51° 45' 19.08869" С | 55° 06' 33.88387" В | 110,6234 м |
Ключевым вопросом обеспечения высокой точности определения координат с помощью GNSS оборудования является обеспечение достаточной продолжительности сеанса наблюдения. Продолжительность сеанса может изменяться от нескольких минут до нескольких часов, которая зависит от внешних факторов, таких как большое количество видимых спутников при оптимальном их положении, отсутствие переотражающих поверхностей.
При благоприятных внешних факторах остается неизвестным зависимость точности определения координат от продолжительности наблюдения и расстояния от базовой станции. Для решения этого вопроса мы провели серию многократно повторяющихся наблюдений и определили взаимосвязь величины СКО высотной отметки и продолжительности наблюдений и расстояния ровера от базового приемника. Результаты представлены в таблице 2.
Таблица 2 - Зависимость СКО высоты от расстояния и продолжительности наблюдения
| Точка наблюдения | Расстояние от базового приемника, км | Продолжительность наблюдения, ч | СКО высоты, мм |
| Вторая | 28,5 | 1,5 | 1,98 |
| 1 | 2,99 | ||
| 0,5 | 5,04 | ||
| 0,25 | 11,47 | ||
| Третья | 12 | 1,5 | 1,19 |
| 1 | 2,96 | ||
| 0,5 | 4,78 | ||
| 0,25 | 6,8 | ||
| Четвертая | 49,5 | 1,5 | 8,64 |
| 1 | 9,92 | ||
| 0,5 | 19,68 | ||
| 0,25 | 94,47 |
где y – СКО высоты, м;
x1 – расстояние от базового приемника, км;
x2 – продолжительность наблюдения, ч.
По результатам наблюдений можно сделать вывод, что использовать длинны измеряемых базовых линий более 30 км не желательно, а продолжительность наблюдения для обеспечения величины СКО не более трех миллиметров должна составлять не менее полутора часов.
В заключение нужно сказать, что определение координат с помощью спутниковых систем высокоточного позиционирования обладает существенными преимуществами по сравнению с традиционными геодезическими методами. К преимуществам GNSS измерений относятся высокая производительность и экономичность при достаточной точности измерения, что особенно заметно в труднодоступных и малонаселенных районах. Проведенные исследования показали, что для обеспечения высокой точности измерений (величина СКО не более трех миллиметров при благоприятных внешних условиях) продолжительность наблюдения должна составлять не менее полутора часов, величина длин измеряемых базовых линий не должны превышать тридцати километров. Предложенный методический подход геодинамического мониторинга позволяет разрабатывать технологии добычи углеводородов и их транспортировки с учетом природной и техногенной активности недр, обеспечивая значительное снижение риска чрезвычайных ситуаций и их последствий.
Литература
- Инструкция по нивелированию I, И, III и IV классов ГКИНП (ГНТА)-03-010-03, МОСКВА, ЦНИИГАИК. 2004.
- Нестеренко М.Ю. Геоэкология недр нефтегазоносных районов Южного Предуралья. — Екатеринбург: УрО РАН, 2012. — 135 с.
- Нестеренко Ю.М., Нестеренко М.Ю., Днистрянский В.И., Глянцев А.В. Влияние разработки месторождений углеводородов на геодинамику и водные системы Южного Предуралья // Литосфера. — 2010. — № 4. — C. 28–41.
- Кашников Ю.А., Ашихмин С.Г. Механика горных пород при разработке месторождений углеводородного сырья. – М.: Недра, 2007. – 486с.
- Ушаков С.А., Галушкин Ю.И. Кинематика плит и океаническая литосфера. Физика Земли. Т.3. – М, 1978. – 272 с.
References
- Instrukcija po nivelirovaniju I, I, III i IV klassov GKINP [Manual leveling I, and, III and IV classes GKINP] (GNTA)-03-010-03, MOSKVA, CNIIGAIK. 2004. [in Russian]
- Nesterenko M.Ju. Geojekologija nedr neftegazonosnyh rajonov Juzhnogo Predural'ja [Geoecology subsurface oil and gas regions of the Southern Urals]. — Ekaterinburg: UrO RAN, 2012. — 135 s. [in Russian]
- Nesterenko Ju.M., Nesterenko M.Ju., Dnistrjanskij V.I., Gljancev A.V. Vlijanie razrabotki mestorozhdenij uglevodorodov na geodinamiku i vodnye sistemy Juzhnogo Predural'ja [Influence the development of hydrocarbon deposits on hemodynamics and water systems of the Southern Urals] // Litosfera [Lithosphere]. — 2010. — № 4. — C. 28–41. [in Russian]
- Kashnikov Ju.A., Ashihmin S.G. Mehanika gornyh porod pri razrabotke mestorozhdenij uglevodorodnogo syr'ja [Rock mechanics in the development of hydrocarbon fields]. – M.: Nedra, 2007. – 486s. [in Russian]
- Ushakov S.A., Galushkin Ju.I. Kinematika plit i okeanicheskaja litosfera. Fizika Zemli [Kinematics of the plates and the oceanic lithosphere. Physics of the Earth]. T.3. – M, 1978. – 272 s. [in Russian]