CC BY
13
Вестник Евразийской науки / The Eurasian Scientific Journal https://esi.today 2022, №4, Том 14 / 2022, No 4, Vol 14 https://esi.today/issue-4-2022.html URL статьи: https://esi.today/PDF/03NZVN422.pdf Ссылка для цитирования этой статьи:
Носков, И. В. Комплексный геомониторинг оснований и фундаментов резервуаров вертикальных стальных (РВС) на основе лазерного сканирования при разработке нефтяных месторождений / И. В. Носков, Д. Н. Черепанов // Вестник евразийской науки. — 2022. — Т. 14. — № 4. — URL: https ://esi.today/PDF/03NZVN422.pdf
For citation:
Noskov I.V., Cherepanov D.N. Integrated geomonitoring of bases and foundations of vertical steel tanks based on laser scanning during oil field development. The Eurasian Scientific Journal, 14(4): 03NZVN422. Available at: https://esi.today/PDF/03NZVN422.pdf. (In Russ., abstract in Eng.).
Носков Игорь Владиславович
ФГБОУ ВО «Алтайский государственный технический университет имени И.И. Ползунова», Барнаул, Россия
Заведующий кафедры «Основания, фундаменты, инженерная геология и геодезия»
Кандидат технических наук, доцент E-mail: noskov.56@mail.ru
Черепанов Денис Николаевич
ФГБОУ ВО «Алтайский государственный технический университет имени И.И. Ползунова», Барнаул, Россия
Аспирант кафедры «Основания, фундаменты, инженерная геология и геодезия»
E-mail: cherepanovden@mail.ru
Комплексный геомониторинг оснований и фундаментов резервуаров вертикальных стальных (РВС) на основе лазерного сканирования при разработке нефтяных месторождений
Аннотация. Статья рассматривает современные методы геомониторинга фундаментов и оснований резервуаров вертикальных стальных (РВС) на базе наземного лазерного сканирования при разработке месторождений нефти. Резервуары хранения нефтепродуктов являются объектами высокого экологического риска, так как они чаще всего эксплуатируются в сложных природных, инженерно-геологических и техногенных условиях, обусловленных одновременному воздействиями на них гидростатического давления хранения нефтепродуктов, перепадом наружных и внутренних температур, значительным ветровым и снеговым нагрузкам, неравномерным осадкам оснований фундаментов и воздействиям сейсмических явлений. На территории России и стран СНГ в настоящее время эксплуатируются более 4 тысяч крупных резервуаров, предназначенных для хранение различных веществ высокого класса риска. Чтобы обеспечить безопасность их эксплуатации, необходимо регулярно проводить геомониторинг фундаментов и оснований. В настоящее время при эксплуатации РВС на нефтеперерабатывающих месторождениях нет практики наблюдения состояния фундаментов и оснований РВС, то есть фактически нет системы наблюдения состояния фундаментов и оснований РВС, в случае деформации которого может развиваться аварийная ситуация, наблюдение производится только по деформациям самого объекта, чтобы принять решение о его текущем и капитальном восстановлении, переводе на режим щадящего режима работы или выходе из эксплуатации РВС. В статье описываются традиционные методы наблюдения состояния РВС, делается вывод, что традиционные методы наблюдения состояния РВС недостаточно. Описан комплексный геомониторинг на базе лазерного сканирования, в том
числе показаны определения плановых и высотных положений, приведены графики осадки, выполнены расчеты деформации стенок резервуаров. Подведены итоги состояния фундамента и основания РВС с использованием метода лазерного сканирования.
Ключевые слова: геомониторинг; основание; фундамент; деформации; крен; осадка; метод; анализ; нефтяное месторождение; резервуары вертикальные стальные; наземное лазерное сканирование
Целью комплексного геомониторинга оснований и фундаментов РВС на основе наземного лазерного сканирования при разработке нефтяных месторождений является обеспечение безопасной эксплуатации объекта и контроль его надежности при эксплуатации. Аварии на таких объектах приводят к негативном воздействиям на окружающую среду. Экологическая катастрофа в результате аварии на Норильском Никеле, которая произошла 29 мая 2020 года, в результате разлива топлива и которой присвоили статус аварии федерального масштаба, произошла по причине разрушения резервуара вертикального стального (РВС) на ТЭЦ-3 в Кайеркане (район Норильска) привела к ужасающим последствиям. Одна из причин аварии недопустимые осадки свайного фундамента резервуара. Осадки фундаментов РВС возникают в результате дополнительного уплотнение грунта в их основании, вызванного внешними нагрузками, собственной массой грунта и внешними факторами, влияющих на изменения (ухудшение) прочностных и деформационных свойства грунтов в основании, такими как водонасыщение грунта, морозное пучение, оттаивание, набухания и др.
В настоящее время основным традиционным методом измерения вертикальных деформаций оснований РВС является геометрическое нивелирование по окрайке днища.
На схеме (рис. 1) показаны контрольные марки по окрайке днища, расположение точек не более чем через 6 м по длине окружности.
Отклонение стенок от вертикали определяют так же традиционными методами.
Суть работ по определению крена РВС заключается в определении численного значения и направления отклонения вертикальной оси сооружения от отвесной линии. Крен резервуаров допускается определять оптическим способом, способом координирования, измерениями с вычислением тангенсов, измерениями с использованием безотражательного тахеометра [1-4].
На основании СТ0-СА-03-004-2009 «Трубчатые печи, резервуары, сосуды и аппараты нефтеперерабатывающих и нефтехимических производств.
Требования к техническому надзору, ревизии и отбраковке» 1 видно что сроки выполнения контроля за резервуаром достаточно большие, в первые пять лет — 1 раз в год, в последующем, если положение РВС стабильно — 1 раз в 5 лет для резервуаров не старше двадцати лет и 1 раз в 4 года для РВС отработавшим свой срок (расчетный и нормативный).
Проверка геометрических параметров осуществляется в те же сроки и в период когда имеются видимые нарушения и явные отклонения.
1 СТО-СА-03-004-2009 «Трубчатые печи, резервуары, сосуды и аппараты нефтеперерабатывающих и нефтехимических производств. Требования к техническому надзору, ревизии и отбраковке».
Страница 2 из 13
03NZVN422
Рисунок 1. Контрольные марки по окрайке днища резервуара (составлено автором)
Из всего вышеперечисленного видно, что существующий метод определения деформаций оснований и вертикальности РВС не дает практически никакого представления о процессах деформаций протекающих в основании РВС ни в сроках и ни в качестве выполняемых работ.
Перечисленные выше недостатки классического метода, способна исключить технология трехмерного лазерного сканирования [5-11].
Для решения задач контроля деформаций оснований и фундаментов при технической диагностике РВС с успехом могут применяться данные наземного лазерного сканирования.
Наземное лазерное сканирование сегодня — это один из самых оперативных и производительных способов получения точных и полных пространственных данных об объекте. Технология состоит в том, чтобы определить точную пространственную координату точки поверхности предмета. Процесс наземного лазерного сканирования осуществляется при помощи измерения расстояния до всех определяемых точек интересующей нас поверхности с помощью приборов лазерного сканирования.
Особенностью наземного лазерного сканирования является скорость измерения — до 26 000 точек в секунду, точно определяющих поверхность снимаемого объекта.
В нашем случае используется один из лучших сканирующих тахеометров на рынке геодезического оборудования Trimble SX10.
Перед началом проведения наземного лазерного сканирования выполнены рекогносцировочные работы с целью определения границ съемки, определения местоположения исходных пунктов и определение местоположения опорных съемочных станций.
03NZVN422
Исходными пунктами для создания съемочного обоснования использовались грунтовые репера геодинамического полигона и деформационные марки заложенные на территории УПН.
Точки съемочной сети (станции) наблюдались в статическом режиме спутниковым оборудованием ГЛОНАСС/GPS приемниками Trimble R7, время стояния каждой станции не менее 10 минут. Точность определения координат съемочных станций составила +12 мм.
Геопривязка съемочных станций происходила посредством сканирования специальных геодезических марок (далее — марка). Над съемочной станцией устанавливался штатив с маркой (геодезические марки входят в комплект оборудования). После установки марок электронный сканирующий тахеометр Trimble SX10 выполняет калибровку и ориентирование съемочной станции с марками в автоматическом режиме. Далее геопривязка съемочных станций осуществлялась с двух марок. Точность СКО в плане и по высоте оптических измерений составило не более +3 мм.
Высотные отметки взяты из нивелирования II класса выполненного в мае-июне 2022 года в 12 цикле наблюдений за деформациями сооружений УПН. Сканирующему тахеометру выбраны места опорных съемочных станций согласно геометрическим особенностям объектов застройки, рельефа и максимальной обзорности. Это обеспечило возможность сканирующему тахеометру Trimble SX10 автоматически уравнивать цепочки станций сканирования между опорными (геопривязанными) станциями. От грунтовых реперов и деформационных марок, определено планово-высотное положение съемочных станций. Съемочные станции использовались для привязки сшитого облака точек и сферических панорам, а также взаимным ориентированием станций и точной привязки их в условную систему координат. НЛС выполнено с достаточной частотой скан-позиций необходимых для обеспечения максимального покрытия РВС облаками точек. При выполнении НЛС РВС были проведены три режима сканирования (съемка):
первый режим — панорамная съемка;
второй режим съемки — «стандартный», выполнена съемка полной сферы 3600;
третий режим съемки — «точный», при данном режиме выполнена выборочная съемка тела РВС.
Режим точности съемки «точный» отличается от режима «стандартного» в том, что сканер Trimble SX10 увеличивает проход сканирующего устройства в четыре раза, тем самым увеличивается плотность точек на поверхности РВС.
Камеральная обработка НЛС выполняется в специализированных ПО Trimble Business Center Advanced и ПО Trimble RealWorks ADV-TANK.
Конечный результат облака точек очищается от мусора, незначительных помех и шумов. При окончательной обработке с облака точек убираются лестницы, трубы и др. элементы конструкции резервуара для проведения анализа деформационных процессов РВС. При обработке полученных данных и их анализе ПО Trimble RealWorks ADV-TANK выдает детализированную оценку геометрических параметров тела РВС, т. е. отклонения от горизонтали наружного днища, крена стенок РВС, а также наличие вмятин и выпучин.
Для получения лучшего результата использовалась объединённая точечная модель РВС, представленная сканами, полученными из измерений на поверхности РВС и обзорными сканами РВС с нанесением нумерации вертикальных швов. Данная объединённая точечная модель является исходной для определения деформаций РВС. Объединенная модель представлена на рисунке 2.
Развертывание тела РВС ПО Trimble RealWorks ADV-TANK выполняет автоматически. Начиная с севера (ПО автоматически задает за начало и конец) разворачивает тело РВС на плоскость.
Стоит отметить, что на результатах сканирования должны хорошо идентифицироваться вертикальные и горизонтальные швы, при мониторинге резервуаров оценку геометрических значений удобно проводить именно вдоль этих условных линий, линии узкие, шириной около 1 см (рис. 2, 4).
Для определения горизонтальных отклонений по наружному контуру днища желательно иметь плотное облако точек по нижней части резервуара.
Рисунок 2. Деформации РВС (горизонтальные/вертикальные) для оценки деформаций фундамента и основания (составлено автором)
Рисунок 3. Общий вид РВС. Расположение точек съемочного обоснования (составлено автором)
Рисунок 4. График отклонения образующих от вертикали на примере вертикального шва № 7 (составлено автором)
Анализ деформации фундамента и основания резервуара выполняется по модели резервуара путем сравнения с геометрически правильным цилиндром, это отображается в вертикальных и горизонтальных деформациях (рис. 6-8).
Рисунок 5. Развертка стенки РВС на плоскость (составлено автором)
Анализ деформации стенок РВС в виде горизонталей (рис. 6), с оценкой диаметров вмятин и выпуклостей и оценкой степени деформаций фундаментов и сравнение их с предельно допустимыми величинами, которые действуют для резервуаров разных размеров и сроков эксплуатации.
По результатам 3Б сканирования можно сделать следующие выводы:
1. Установлено, что оседания не превышают предельно допустимых величин.
В целом прослеживается стабильное положение марок (рис. 9, 10). Эти факты свидетельствуют о том, что физико-механические свойства грунтов в основании резервуаров, а также их фундаменты способствуют равномерным вертикальным смещениям при изменении нагрузки на их основание. Тем не менее, стоит отметить, что выше обозначенные деформации могут превысить допустимые значения при активном режиме работы РВС.
2. При эксплуатации РВС более 10-и лет деформации возникают чаще от ветхости конструкции и меньше от свойств грунтов и состояния фундаментов.
Рисунок 6. Деформации стенок РВС в виде горизонталей (составлено автором) Страница 7 из 13
Рисунок 7. Вертикальные деформации РВС (составлено автором)
3. Полученные вертикальные смещения марок вызваны разницей в уровне заполнения резервуаров на момент фиксации отметок в разных циклах наблюдений. Так же имеет место локальная деформация наружной части окрайки днища.
4. Определение вертикальности стенки РВС выполнено методом 3D сканирования (рис. 3, 4, 6). Как видно из результатов проведенных вычислений, максимальные деформации и отклонения стенки резервуаров от вертикали возникают внизу резервуара, т. е. в местах, где оказывается максимальное давление на стенки сосуда от силы тяжести жидкости.
Так и в нашем случае, в основном наблюдается деформирование нижних поясов в сторону, направленную от центра резервуаров, таким образом, что стенка оказывается растянута (рис. 7).
На верхних поясах наблюдаемые отклонения носят уже характер крена пояса всей конструкции, т. е. если с одной стороны резервуара наблюдается деформация в сторону центра РВС, то диаметрально противоположная сторона, как правило, деформирована от центра сосуда (рис. 10).
Следует отметить, что значения отклонений стенки РВС от вертикали на верхних поясах присутствует, но не превышает предельных отклонений. К тому же, из опыта подобных наблюдений за РВС можно сделать вывод о том, что значения отклонений от вертикали зависят не только от степени наполненности резервуара, но и так же от метеорологических условий, так южная сторона РВС наиболее подвержена температурным колебаниям и, как следствие, — выявленным деформациям на момент наблюдения.
5. Представленные выше результаты говорят о присутствии процессов деформирования, связанных с сезонными изменениями температуры окружающей среды, а также, с технологическими процессами.
Резервуар РВС-1 (10 000 куб. м)
Ведомость высот и оседаний
Цикл-12 (2022 г.). Западно-Салымское месторождение. УПН
Дата наблюдения: 01.05.2022 г.
Заполнение РВС:_
12,32 м, 7870 м3
Номер марки Высота Оседания резервуара между циклами, мм Разность высот соседних точек, мм
Цикл-0 09.2010 г. Цикл-4 09.2014 г. Цикл-5 09.2015 г. Цикл-6 09.2016 г. Цикл-7 09.2017 г. Цикл-8 09.2018 г. Цикл-9 10.2019 г. Цикл-10 10.2020 г. Цикл-11 05.2021 г. Цикл-12 05.2022 г.
M001 82,625 82,641 82,657 82,662 82,664 82,668 82,668 82,463 82,441 82,445 4 -3
M002 82,630 82,645 82,661 82,665 82,668 82,672 82,672 82,466 82,444 82,450 6 5
M003 82,623 82,639 82,656 82,659 82,661 82,665 82,666 82,460 82,439 82,443 4 -2
M004 82,623 82,639 82,656 82,660 82,662 82,666 82,669 82,460 82,441 82,444 3 5
M005 82,621 82,635 82,652 82,656 82,658 82,659 82,663 82,456 82,436 82,439 3 -5
M006 82,625 82,640 82,657 82,661 82,661 82,665 82,667 82,461 82,441 82,442 1 1
M007 82,623 82,638 82,654 82,659 82,659 82,663 82,666 82,459 82,440 82,440 0 5
M008 82,618 82,635 82,649 82,655 82,655 82,660 82,662 82,457 82,435 82,430 -5 2
M009 82,617 82,632 82,646 82,652 82,653 82,657 82,659 82,453 82,433 82,430 -3 -2
M010 82,621 82,637 82,650 82,657 82,658 82,662 82,663 82,454 82,435 82,433 -2 7
M011 82,612 82,631 82,643 82,648 82,649 82,654 82,655 82,447 82,428 82,422 -6 -4
M012 82,616 82,635 82,647 82,653 82,653 82,657 82,659 82,451 82,432 82,427 -5 -1
M013 82,615 82,633 82,650 82,652 82,653 82,657 82,658 82,451 82,433 82,428 -5 -2
M014 82,619 82,636 82,649 82,654 82,657 82,661 82,662 82,456 82,435 82,431 -4 -6
M015 82,623 82,640 82,653 82,660 82,661 82,666 82,665 82,460 82,441 82,435 -6 -7
M016 82,632 82,648 82,664 82,668 82,670 82,674 82,677 82,468 82,448 82,443 -5 7
M001 82,625 82,641 82,657 82,662 82,664 82,668 82,668 82,463 82,441 82,445
Наибольшая разность отметок 0,020 0,017 0,021 0,020 0,021 0,021 0,022 0,021 0,020 0,028
Рисунок 8. Графики оседаний основания и фундамента по результатам 3Б сканирования (составлено автором)
6. Стоит отметить, что особенностью комплексного геомониторинга оснований и фундаментов РВС на основе наземного лазерного сканирования при разработке нефтяных месторождений является то, что наблюдаемые объекты находятся в подрабатываемой зоне (добыча/закачка) и для корректных расчетов деформаций оснований и фундаментов необходимо принимать во внимание деформации геодинамического характера.
7. Сравнение результатов съемки методом наземного лазерного сканирования с традиционными методами.
По результатам полученных данных НЛС был сделан анализ сравнения данного метода с традиционным методом наблюдения деформационных процессов РВС. Результаты сравнения представлены на рисунке 11.
Метод наземного лазерного сканирования является более детализированным, исключаются практически полностью случайные ошибки, в том числе «человеческий фактор».
Данный метод раскрывает полную картину наблюдаемого объекта, почти полностью автоматизированный процесс обработки данных и точность сканирования не дает основания усомниться в проведенных исследованиях.
Нет необходимости повторного выезда в поле, связанной с недостаточностью полевых измерений.
Путем анализа полученной картины деформаций методом НЛС по всем наблюдаемым РВС выявляются места с аномальными значениями деформаций.
Развернутый график оседаний резервуара
Рисунок 9. Графики оседаний основания и фундамента по результатам 3Б сканирования (составлено автором)
Рисунок 10. Наклон РВС в результате оседаний основания и фундамента по результатам 3Б сканирования (составлено автором)
Рисунок 11. Сравнение традиционного метода и результатов 3Б сканирования (составлено автором)
ЛИТЕРАТУРА
1. Аковецкий В.Г. Аэрокосмический мониторинг месторождений нефти и газа. — М.: ООО «Недра-Бизнесцентр», 2008. — 454 с.
2. Геодезические методы исследования деформаций сооружений. А.К. Зайцев, С.В. Марфенко, Д.Ш. Михелев, И.Ю. Васютинский, Е.Б. Клюшин, М.В. Иванов, Х.К. Ямбаев. — М.: Недра, 1991. — 272 с.
3. Правила закладки центров и реперов на пунктах геодезической и нивелирной сети. — М.: Картгеоцентр — Геоиздат, 1993. — 104 с.
4. Сидоров В.А., Кузьмин Ю.О., Хитров А.М. Концепция геодинамической безопасности освоения углеводородного потенциала недр России. — М.: ИГиРГИ, 2000. — 56 с.
5. Современная геодинамика и нефтегазоносность. В.А. Сидоров, С.В. Атанасян, Ю.О. Кузьмин и др. Отв. ред. Н.А. Крылов, В.А. Сидоров. Ин-т геологии и разраб. горючих ископаемых — М: Наука, 1989. — 199 с.
6. Кузьмин Ю.О. Современная геодинамика и оценка геодинамического риска при недропользовании. — М.: Агентство экономических новостей, 1999. — 220 с.
7. Кузьмин Ю.О. Оценка геодинамического риска объектов нефтегазового комплекса. // Фундаментальный базис новых технологий нефтяной и газовой промышленности, — М.: Наука, 2000, с. 334-344.
8. Касьянова Н.А., Кузьмин Ю.О. Современная аномальная геодинамика недр и ее влияние на объекты нефтегазового комплекса. // Предисловие акад. А.Л. Яншина. — М.: Геоинформмарк, 1996. — 56 с.
9. Schwarz Willfried Moderne Messverfahren in der Ingenieurgeodasie und ihr praktischer Einsatz. Flachenmanag. Und Bodenordn. — 2002. 64, — № 2, p. 87-97. (Шварц Виллфрид Современные методы измерения в инженерной геодезии и их практическое использование. Flachenmanag. Bodenordn. — 2002. 64, — № 2, C. 87-97).
10. Fabiankowitsch Johannes, Kahmen Heribert, Matt Phillip. Evaluation of vibrational spectrum 0f high slim towers with wind electrical turbines // VGI: Osterr. Z. Vermess. und Geoinf. — 2003. 91, № 1. — p. 77-84. (Йоханнес Фабианкович, Камен Хериберт, Мэтт Филлип. Оценка спектра колебаний высоких тонких башен с ветроэлектрическими турбинами // VGI: Osterr. Z. Vermess. унд Геоинф. — 2003. 91, № 1. — С. 77-84).
11. Brys Henryk. Meßverfahren zum Bestimmen der Geometrie der Verformung von Brückenkran und Kranbahnschienen. Allg. Vermess.-Nachr. 2000. 107. — № 11-12, p. 391-396. (Брайс Генрик. Измерительный метод определения геометрии деформации мостовых кранов и подкрановых путей. ALLG. VERMESS. — NACHR. 2000. 107. — № 11-12, C. 391-396).
Noskov Igor Vladislavovich
Polzunov Altai State Technical University, Barnaul, Russia
E-mail: noskov.56@mail.ru
Cherepanov Denis Nikolaevich
Polzunov Altai State Technical University, Barnaul, Russia E-mail: cherepanovden@mail.ru
Integrated geomonitoring of bases and foundations of vertical steel tanks based on laser scanning during oil field development
Abstract. The article examines modern methods of geomonitoring of foundations and bases of vertical steel tanks based on ground laser scanning during oil field development. Petroleum product storage tanks are high environmental risk because they are most often operated in complex natural, geotechnical and man-made conditions due to simultaneous effects of hydrostatic pressure of petroleum product storage on them, external and internal temperature drop, significant wind and snow loads, uneven sediments of foundation bases and impacts of seismic phenomena.In Russia and the CIS countries, more than 4 thousand large tanks are currently operated for storing various high-risk substances. To ensure the safety of their operation, it is necessary to regularly conduct geomonitoring of foundations and foundations. Currently, there is no practice of observing the condition of the foundations and bases of the RVS during the operation of the RVS at oil refineries. that is, there is actually no system for observing the state of the foundations and bases of the RVS, in the event of deformation of which an emergency situation can develop, observation is carried out only by deformations of the object itself, to make a decision on its current and major restoration, transfer to the sparing mode of operation or withdrawal from operation of the VST. The article describes traditional methods of observing the state of RVS, it is concluded that traditional methods of observing the state of RVS are not enough. Complex geomonitoring based on laser scanning is described, including determination of planned and high-altitude positions, settlement graphs are given, calculations of deformation of tank walls are made. The results of the condition of the foundation and foundation of the VST using the laser scanning method were summed up.
Keywords: geomonitoring; base; foundation; deformations; roll; sediment; method; analysis; oil field; vertical steel tanks; ground laser scanning
