Мониторинг смещений земной поверхности на разрабатываемых месторождениях углеводородов с помощью комплекса космических и геодезических методов

0

Ю. Б. Баранов, Ю. И.Кантемиров,  Е. В. Киселевский,  М. А. Болсуновский

В настоящее время есть две точки зрения на вопрос наличия техногенных деформаций земной поверхности при разработке месторождений углеводородного сырья. Первая – при разработке газовых месторождений возникают обширные по площади просадки земной поверхности. Вторая – добываемые нефть и газ в порах пород-коллекторов замещаются несжимаемой жидкостью водой, и поэтому никаких существенных техногенных оседаний земной поверхности вообще нет.

С другой стороны, район севера Западно-Сибирской мегапровинции характеризуется наличием многочисленных природных процессов, вызывающих положительные и отрицательные смещения земной поверхности. Здесь следует, в первую очередь, отметить геокриологические процессы (мерзлотное сезонное пучение грунтов, солифлюкционные и криогенные оползни, термокарстовые процессы и т. д.), а также геодинамические процессы и лунный цикл приливов и отливов.

Поскольку и природные, и техногенные смещения земной поверхности в районе промысловой, транспортной и жилой инфраструктуры представляют собой потенциально опасный процесс – сегодня предусматривается организация системы наблюдений за состоянием горных отводов в виде системы закрепленных реперов в пределах контура всего месторождения с примыканием к опорным пунктам, вынесенным за область влияния деформационных процессов и с использованием традиционных методов повторных инструментальных измерений (как правило – нивелирования II класса). Такого рода подход, как показал опыт ООО «Газпром добыча Уренгой», потребовал создания геодинамического полигона с протяженностью ходов нивелирования около 1400 км.

Такой подход характеризуется значительными финансовыми затратами уже на стадии закрепления реперных точек, поскольку расстояние между ними жестко задано, заменить их полностью за счет использования устьев скважин невозможно, поскольку регламентировано расстояние между реперными точками в 300-500 м, в зонах предполагаемых тектонических нарушений – 100 м, а сама закладка реперов в условиях Крайнего Севера нередко требует их забуривания на 15 метровую глубину.

Крайне дороги и высокоточные традиционные геодезические измерения. Кроме того, они требуют значительных затрат и характеризуются, как правило, длительными временными промежутками между повторными измерениями.

За рубежом для решения задач контроля деформаций земной поверхности и массива горных пород, перекрывающего нефтегазоностные пласты разрабатываемых месторождений, начали применять новые технологии, основанные на создании системы весьма ограниченного количества корректурных (контрольных) пунктов GPS, размещенных равномерно на территории месторождений и интегрированных в Систему постоянно действующих международных пунктов GPS. Это позволяет на уровне точности порядка 5 мм получать все три координаты соответствующих пунктов в реальном режиме времени.

ООО «ВНИИГАЗ» считает необходимым одновременно с точечными GPS-наблюдениями вести в мониторинговом режиме космическую радиолокационную интерферометрическую съемку территорий месторождений углеводородов, позволяющую регулярно получать поле смещений земной поверхности с высокой точностью. Параллельно, раз в несколько лет, – наблюдения за деформационными процессами проводятся традиционными геодезическими методами. Сопоставительный анализ результатов этих трех независимых методов наблюдений за смещениями земной поверхности (повторное нивелирование, GPS-наблюдения и космическая дифференциальная радиолокационная интерферометрия) позволяют осуществлять взаимоконтроль и уточнение фиксируемых смещений.

Внедрение подобной системы мониторинга начато на месторождениях нефти и газа севера Западно-Сибирской мегапровинции. В первую очередь, для получения объективных и достоверных результатов по определению деформаций земной поверхности создана система наблюдений на основе постоянно действующих GPS-пунктов на месторождениях ОАО «Газпром» в ЯНАО (рис. 1). Основной GPS-пункт расположен на здании  ООО «Газпром добыча Уренгой». Этот пункт в непрерывном режиме, начиная с 2004 года, определяет текущие координаты относительно мировых мониторинговых GPS-пунктов,  а от него периодически определяются координаты пунктов, установленные на зданиях и сооружениях, расположенных на территории разрабатываемых месторождений дочерних обществ.

1
Рис. 1. Система наблюдений на основе постоянно действующих GPS-пунктов на месторождениях ОАО «Газпром» в ЯНАО

По результатам измерений на GPS-пунктах, указанных выше, были получены значения вертикальных смещений, которые приведены на рис. 2.

2
Рис. 2. Величины оседания по результатам GPS-измерений

 

Из графиков, приведенных на рис. 2, можно сделать два основных вывода:

  1. Общая тенденция по всем приведенным GPS-пунктам свидетельствует о наличии смещений земной поверхности в контурах месторождений ЯНАО относительно внешних мониторинговых пунктов.
  2. Величины оседаний на двух GPS-пунктах Заполярного месторождения за 1 год составили порядка 1 см, а в целом за этот же период по другим пунктам не превышают 4 см, при точности определения координат не хуже 2 мм.

В качестве высокоточного площадного метода наблюдений за смещениями земной поверхности в 2006 году в ООО «ВНИИГАЗ» начали применять технологию космической радиолокационной дифференциальной интерферометрии. Она предоставляет собой эффективное средство прямого картирования смещений земной поверхности и деформаций сооружений. Причем существует возможность применять эту технологию как отдельно от вышеперечисленных других методов определения сдвижений поверхности, так и в комплексе с ними (что представляется наиболее рациональным). Принципиальное преимущество дифференциальной радиолокационной интерферометрии перед другими методами мониторинга вертикальных и плановых деформаций заключается в прямом замере различий в рельефе, произошедших за период между двумя (тремя, четырьмя и более) съемками.

Получаемый в результате интерферометрической обработки файл сдвижения, как правило, показывает интегральную картину смещений. Обычно она складывается из различных природных и техногенных  составляющих. Точечная калибровка полученных карт смещений земной поверхности может осуществляться по данным GPS-наблюдений.

Космический радиолокационный мониторинг просадок, вызванных разработкой нефтегазовых месторождений, успешно осуществляется за рубежом с середины 1990-х гг. В силу различных причин, в России метод радиолокационного интерферометрического мониторинга смещений земной поверхности не получил широкого распространения. Однако его преимущества очевидны. Это, прежде всего, возможность осуществлять мониторинг деформаций любых территорий (в том числе, значительных по площади и протяженности) с высокой точностью при невысокой стоимости работ (на порядок ниже аналогичных по точности дистанционных методов, например, лазерного сканирования). Объем работ по наземному обеспечению мониторинга представляется выполнимым маркшейдерскими службами добывающих предприятий (при необходимости с привлечением соисполнителей). Получаемая на выходе карта смещений поверхности, помимо ответа на вопрос о наличии и величине просадок, несет в себе информацию о природной и техногенной геодинамике и может использоваться для оценки экологической и геодинамической безопасности разработки месторождения, прогноза рисков, мониторинга деформаций промысловых сооружений и трубопроводов и т. д.

Кроме того, для прогнозирования ожидаемых техногенных оседаний, вызванных разработкой месторождений, применяются модельные расчеты. Несмотря на то, что они характеризуется значительными допущениями (в частности, необходимо оценивать значения объемного модуля упругости породного скелета от пласта-коллектора до земной поверхности), информация об ожидаемых техногенных просадках, вызванных разработкой, без сомнения, является крайне интересной и полезной.

Наземные инструментальные геодезические измерения на реперах, позволяют получить значения смещений в точках и по профилю, но построить достоверную непрерывную карту просадок (сдвижений) земной поверхности на всю площадь месторождения по этим данным не представляется возможным, поскольку между узловыми точками и профилями необходимо будет выполнить обычную интерполяцию. Кроме того, эти наблюдения, как уже говорилось выше, не всегда могут выполняться в оперативном мониторинговом режиме, и промежуток между повторными наблюдениями может достигать 20 лет.

Таким образом, по мнению авторов, каждый из вышеописанных методов наблюдений за деформационными процессами имеет свои преимущества и недостатки, из чего следует, что для взаимного уточнения и взаимоконтроля все эти методы должны применяться в комплексе.

В заключение приведем пример такого комплексного мониторинга смещений земной поверхности космическими, геодезическими и расчетными методами. Объектом исследований являлось Заполярное газоконденсатонефтяное месторождение.

Для анализа смещений по площади была привлечена интерферометрическая пара радиолокационных снимков за июль 2004 и август 2005 гг., сделанных со спутника ENVISAT (Европейское космическое агентство). По результатам специализированной дифференциальной интерферометрической обработки этих снимков была построена карта вертикальных смещений земной поверхности в единицах разности фаз, которая приведена на рис. 3. С этой картой совмещены ранее полученные данные по районированию геокриологических процессов, изолинии оседаний прогнозной мульды сдвижения горных пород и инфраструктура Заполярного месторождения.

3
Рис. 3. Дифференциальная интерферограмма, показывающая смещения земной поверхности на Заполярном месторождении за период с 2004 по 2005 год

 

usl
Условные обозначения к рис. 3

 

На рис. 4 приводится профиль смещений земной поверхности по линии АБ на карте смещений. Отметим, что тренд, проведенный по профилю смещений АБ, хорошо коррелируется с расчетной мульдой прогнозируемых техногенных оседаний земной поверхности, вызванных разработкой месторождения. Она характеризуется концентрическими изолиниями просадок с возрастанием их величины от контура сеноманской залежи месторождения к ее центру (черные изолинии на рис. 3).

Далее перейдем от смещений земной поверхности в единицах разности фаз к метрической системе. Поскольку интерферометрический фринг (переход от синего цвета к следующему синему на интерферометрическом изображении на рисунке 3) равен 2,5 см (половине длины волны радарного интерферометра), то сглаженные значения оседаний земной поверхности составляют за год 1-1,5 см (иллюстрация на примере профиля АБ, рис. 4). Этот результат практически полностью совпадает с результатами, полученными по наблюдениям на GPS-пунктах Заполярного месторождения. Области геокриологических процессов, ранее выделенные на основе дешифрирования оптических космоснимков, практически полностью совпадают с областями мозаичного отображения  интерференции  на территории месторождения (на профиле – резко изменяющиеся значения).

4
Рис. 4. Профиль смещений земной поверхности по линии АБ, построенный по данным радарной интерферометрии

 

Полученные результаты показали высокую эффективность комплексирования космических и геодезических методов для задач мониторинга природных и техногенных смещений земной поверхности. Эти результаты учтены при подготовке ООО «ВНИИГАЗ» отраслевого стандарта «Методика проведения космического мониторинга состояния территорий горных отводов для обеспечения промышленной безопасности при добыче и хранении нефти и газа».