Особенности построения геодезических сетей для наблюдения за оседанием земной поверхности в районе добычи нефти и газа

Аннотация

И.Г. Гайрабеков

Рассматриваются особенности создания геодезических сетей при изучении вертикальных смещений земной поверхности нефтегазовых месторождений. Обосновывается целесообразность   проектирования  сети на основе прогнозной  модели  оседаний, полученной из теоретических расчетов, и необходимость    учета геометрии ствола эксплуатируемых скважин. Предлагается создание оптимальной геодезической сети в виде профильных линий и замкнутых концентрических полигонов на поверхности предполагаемой мульды оседания. Обосновываются преимущества такой сети.
Ключевые слова: нивелирный ход, геодезические наблюдения, нивелирование, пластовое давление, оседание.

25.00.32 - Геодезия

Анализ материалов, посвященных изучению вертикальных движений земной поверхности (ВДЗП) разрабатываемых нефтегазовых месторождений, показал, что традиционно применяемая схема проведения таких работ заключается в сгущении ГГС в районе добычи полезных ископаемых линиями нивелирования II класса. При этом не соблюдается принцип разумного минимума количества закладываемых геодезических знаков в пределах площади возможных деформаций. В связи с этим неоправданно возрастает себестоимость проведения работ и теряется информативность исследований. Не всегда приводят к желаемому результату и схемы специальных запланированных геодезических построений на геодинамических полигонах (ГДП), в особенности в местах, совпадающих с зонами, подверженными активному техногенному влиянию, где возникает проблема разделения общих ВДЗП на отдельные составляющие. Нам представляется целесообразным в настоящей работе определить наиболее оптимальные схемы построений, которые позволили бы получить надежную информацию для последующего анализа.
Рассмотрим типичные примеры традиционно создаваемых геодезических сетей. Так,  для изучения вертикальных смещений на  Речицком месторождении (рис.1) проложены нивелирные хода  вдоль коридора коммуникаций (профили II, III). В результате выполнения ряда повторных нивелирований было установлено наличие на данной территории вертикальных движений. Однако больше никакой информации не было получено - осталась неизвестной форма мульды оседания, и не было определено место максимальных оседаний. Да и сами вертикальные движения нельзя однозначно интерпретировать как техногенные, так как залежи нефти всегда бывают приуроченными к тектонически - активным зонам. Ряд недостатков можно отметить и по сети Шебелинского месторождения - здесь не соблюден принцип разумного минимума количества закладываемых знаков (рис.2).
Чтобы геодезические наблюдения были дешевыми и давали наглядное представление о развитии процесса оседания для прогнозирования возможных последствий и проектирования мер инженерной защиты необходимо, по возможности, точно выбирать места максимальных оседаний. В качестве модели, необходимой для проектирования следует использовать полученное от заказчика описание процесса. Желательно иметь следующие материалы:
1) среднюю скорость развития мульды оседания и изменения этих скоростей во времени в случае нестационарного процесса;
2) площадь и конфигурацию мульды оседания и изолинии равных оседаний и движений;
3) горно-эксплуатационные параметры разрабатываемых горизонтов полезных ископаемых.

Рис.1- Схема нивелирных ходов II класса Речицкого месторождения

Рис. 2 - Схема нивелирных ходов II класса и скоростей оседания земной поверхности Шебелинского газового месторождения

В случае если отсутствует информация по первым двум пунктам или если она недостаточна, то следует провести теоретические расчеты возможных деформаций земной поверхности по приближенным формулам[1]. Изменение величины оседания земной поверхности по этим формулам ставится в зависимость от изменения величины пластового давления. Прогнозировать падение пластового давления можно по формуле Ю.П.Борисова [2]:
                               (4.1.)
где µн - вязкость нефти;
Q - дебит всей батареи, состоящей из n скважин;
k - коэффициент проницаемости пласта;
Ψ - символ функции, вид которой зависит от характера изменения дебита;
æ - коэффициент пьезопроводности;
t - время с начала разработки залежи;
a - радиус батареи скважин;
ρ - расстояние от заданной точки,  в  которой  определяется давление, до центра круговой батареи.
Информацию о разрабатываемом горизонте, как известно, получают по отдельным скважинам. Как правило, исследователи считают, что, чем ближе к устью скважины находится репер, тем сильнее он может быть подвержен влиянию разработки данной скважины. В определенных случаях такое утверждение было бы справедливым при вертикальном расположении ствола скважины. Однако при бурении практически все скважины наклоняются и искривляются. Следовательно, проекция забоя скважины на земную поверхность, как правило, не совпадает с плановым положением устья скважины. Поэтому вопрос правильного определения планового положения забоя скважин является принципиальным. Особенно это важно в случае плохой гидродинамической связи залежей одного месторождения и, если месторождение является многопластовым с их вертикальным расположением.
На рис.3  изображена наклонная прямолинейная скважина. Здесь точка O означает устье (начало) скважины, точка B - забой (дно) скважины. Точки 1,2,...n являются характерными точками ствола скважины, расстояния между которыми соответственно равны h₁,h₂,...h_n; H - общая наклонная длина створа скважины; θ - угол отклонения оси скважины от вертикали.
На рис.4 представлен наиболее часто встречающийся случай – проекция ствола скважины на вертикальную плоскость является ломаной линией. Современные приборы – инклинометры позволяют определять длины отдельных интервалов (звеньев) скважины, угол отклонения этих
звеньев от вертикали θ_i и азимут A вертикальной плоскости, проходящей через интервал замера. По этим данным вычисляют плановое положение точек забоя скважины с погрешностью 10 м. Все необходимые формулы приводятся в работе [2].
Максимальное падение пластового давления будет наблюдаться именно вблизи забоя скважины и, следовательно, наиболее вероятно ОЗП на месте планового положения забоя скважины.

Рис. 3- Ось скважины - прямая линия

Рис. 4 - Ось скважины – ломаная линия

Предположим, что проекция оси скважины на вертикальную плоскость имеет форму наклонной прямой. Для такого случая в табл. 1 приведены расстояния между устьем и плановым положением забоя скважины при различных углах наклона и глубин разработки. Угол наклона скважины обозначен через θ, длина ствола скважины через h (м).
Как видно из таблицы, расстояния между устьем скважины и плановым положением забоя значительны даже при небольших углах наклона ствола скважины.

Таблица 1
Расстояния между устьем и проекцией забоя скважины на земную поверхность в зависимости от их угла искривления и длины ствола наклона ствола скважины

Таким образом, с учетом искривления ствола скважины от вертикали при бурении, необходимо определять плановое положение забоя скважин - как места (точки) определения и прогнозирования изменения пластовых давлений, иначе невозможно правильно опреде­лить места потенциальных максимальных оседаний.
Если эксплуатационные скважины располагаются на значительном расстоянии друг от друга и как следствие этого не образуется общая мульда оседания, то с учетом искривления ствола скважины от вертикали при бурении, необходимо определять проекции забоев  скважин на дневную поверхность  - как места  возможных максимальных оседаний.
Полученная по теоретическим расчетам схема прогнозных значений оседаний земной поверхности   будет моделью первого приближения, на основе которого следует проектировать геодезическую сеть. В случае если имеется априорная геодезическая информация по исследуемой площади, то схему прогнозных значений следует скорректировать.
Мы считаем, что во всех случаях достаточно четырех типов фрагментов геодезической сети.
1. Профильная линия - традиционное построение, используемое при наблюдениях за деформациями. В нашем случае профильные линии предназначены для наблюдения за развитием мульды по данному профилю. Наиболее целесообразно расположить профильные линии по направлениям, характеризуемым максимальными скоростями оседания, т.е. они должны пересекать мульду, соединяясь в районе предполагаемого максимума оседания. В плановом отношении по таким профилям можно ожидать деформации сжатия - растяжения. Следовательно, в наиболее полном случае целесообразно прокладывать по профильным линиям нивелирные ходы геометрического или тригонометрического нивелирования и специальные полигонометрические ходы, при создании  которых  предусмотрена максимально возможная точность измерения линий. Кроме того, в нашем случае профильные линии предназначены и для наблюдения за фоновыми процессами, например, за общими наклонами тектонических блоков, их прогибами и т.д. Поэтому профильные линии желательно продлевать за зону оседания на довольно большую длину, скажем, на 1/4 - 1/5 мульды оседания.
2. Замкнутые концентрические полигоны
В нашем случае эти геодезические построения предназначены для наблюдения за развитием мульды в плане, можно еще сказать, для контроля соответствия модельной и реальной формы изолинии разных осадок. Полигоны должны располагаться по направлению минимальных изменений наклонов. Ожидаемое изменение превышений по ходам, слагающим эти полигоны, равно нулю. Если мульда в своем развитии начнет ускоренно распространяться в каком-то направлении, не предусмотренном моделью, то по замкнутым полигонам будут зафиксированы воронкообразные прогибы, развивающиеся во времени. В плановом отношении возможны смещения пунктов полигонов в радиальном направлении. Опыт использования такого замкнутого полигона, проложенного вокруг конуса вулкана Карымского, показал высокую эффективность этого вида геодезических построений при наблюдениях за динамическими объектами, характеризующимися радиальным направлением развития процесса. Замкнутых полигонов должно быть не менее трех, все они должны располагаться на "склоне" воронки оседания. Для примера на рис.5 представлена рекомендуемая нами геодезическая сеть (в первом приближении) для Шебелинского месторождения.

Рис.5. Рекомендуемая схема нивелирных ходов (в первом приближении) для наблюдений за вертикальными смещениями ЗП.

3. Наблюдательные станции.
Этот термин и само геодезическое построение позаимствованы из маркшейдерии. В нашем случае наблюдательные станции предназначены для изучения характера оседания и планового сдвижения пород на территориях, прилегающих к инженерным сооружениям и жилым массивам. Цель создания наблюдательных станций - изучение закономерности развития воронки оседания, вызванного весом инженерного сооружения и его функционированием. Процесс оседания в результате добычи жидкости в данном случае можно рассматривать как фоновый. В связи с поставленной целью, наши наблюдательные станции должны распространяться за пределы воронки оседания, вызванного нагрузками от строительства сооружений. Это зона, также как и в случае с профильными линиями, должна распространяться за воронку оседания на 1/4 - 1/5 ширины воронки. По существу, наблюдательные станции являются сетями сгущения. Более подробно принцип создания наблюдательных станций можно позаимствовать из маркшейдерского дела. Но необходимо отметить специфику, связанную с экстраполированием этих построений на решение задач, для которых они не предназначены. Во-первых, профильные линии станции должны располагаться:
а) вдоль направлений с максимальными изменениями уклонов;
б) вдоль направлений с минимальными изменениями уклонов.
Во-вторых, требования к точности определения смещений должны назначаться, исходя из модели смещений, полученной на очередном этапе приближений.
4. Деформационные сети - традиционные инженерно-геодезические построения, предназначенные для наблюдения за деформациями отдельных и технологически связанных сооружений. Сети достаточно хорошо описаны в инженерно-геодезической литературе, поэтому остановимся на их специфике, вытекающей из решения общей задачи:
- оседания и деформации прилегающих территорий в данном случае нужно рассматривать как фоновые; если деформации сооружения и окружающей территории хорошо согласуются, то можно говорить о едином процессе;
- оседание, вызванное добычей жидких полезных ископаемых и для деформаций территорий, прилегающих к сооружениям и для самих сооружений, также являются фоновыми; если удастся найти между этими явлениями устойчивые закономерности, то можно говорить о влиянии добычи жидкости на данное конкретное сооружение;
- степень влияния добычи на каждый конкретный участок и на деформации расположенных на нем сооружений,  должна определяться в каждом конкретном случае, какой-либо экстраполяции следует избегать.
В заключение, отметим общие особенности создания различных фрагментов сети:
1. Вовсе необязательно на каждом объекте создавать фрагменты всех типов. В каждом случае необходимо исходить из принципа минимальной достаточности.
2. Каждый фрагмент или группа фрагментов должна уравниваться как свободная сеть в частной системе координат, но с предварительным разделением всех пунктов на стабильные и мобильные [3].
3. Принцип, заложенный в создание опорных геодезических сетей, т.е. переход от более точных построений к менее точным, в данном случае, может быть,  не использован. В нашем случае более обширное построение может оказаться построенным по более простой и дешевой методике, нежели локальное построение, расположенное внутри более большего. Единая система координат может распространяться через минимальное число связей. Ошибки исходных данных, в традиционном их понимании, при подобных схемах построения отсутствуют.

Литература

1. Субботин И.Е. Теория и практика геодезических работ при раз­работке нефтяных и газовых месторождений // Автореферат дисс.... докт. техн. наук. - Киев, 1992. - 30 с.
2. Букринский В.А., Рашковский Я.З., Фролов Е.Ф. Совершенствова­ние методов маркшейдерских работ и геометризации недр. - М.:Недра, 1972. - 384 с.
3. Гаврилов С.Г. Алгоритм определения стабильных и мобильных пунктов в свободных плановых деформационных сетях по резуль­татам полевых измерений. - 31 с., деп. в ОНИПР ЦНИИГАиК 9.03.88, N 289-Г. Д 88 ДЕП.