О направлениях оптимизации системы маркшейдерского контроля деформаций земной поверхности и сооружений при разработке месторождений углеводородов Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

Оригинальная статья / Original article УДК: 622.1; 622.83

DOI: 10.21285/2541 -9455-2017-40-3-82-89

О НАПРАВЛЕНИЯХ ОПТИМИЗАЦИИ СИСТЕМЫ МАРКШЕЙДЕРСКОГО КОНТРОЛЯ ДЕФОРМАЦИЙ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ И СООРУЖЕНИЙ ПРИ РАЗРАБОТКЕ МЕСТОРОЖДЕНИЙ УГЛЕВОДОРОДОВ

© В.И. Шмонина, И.Б. Шмонинь

аЬИркутский национальный исследовательский технический университет, Российская Федерация, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

РЕЗЮМЕ. Цель. При разработке нефтяных и газовых месторождений контроль деформаций земной поверхности и инженерных сооружений является составной частью системы промышленной безопасности. Этот контроль осуществляется на геодинамических полигонах. Площади лицензионных участков составляют от нескольких сотен до нескольких тысяч квадратных километров. Поэтому как создание наблюдательной сети, так и выполнение регулярных измерений требует от предприятия существенных затрат. Целью работы является разработка методики организации и оптимизации наблюдений за деформациями земной поверхности, которая позволит сократить единовременные затраты на создание и эксплуатацию геодинамических полигонов и распределить их во времени. Методы. Планирование системы маркшейдерского контроля необходимо строить на основе анализа горно-технологической информации, прогнозирования границ зон возможных деформаций и величин ожидаемых оседаний, а также районирования. Развитие системы маркшейдерского контроля предложено осуществлять в несколько этапов в соответствии с этапами освоения и эксплуатации месторождения. Результаты. Для реализации процесса построения и оптимизации системы наблюдений предложен алгоритм последовательных действий, который предусматривает: поэтапное создание сетей для геодинамических наблюдений; дифференцированный подход к выбору методов и средств измерений деформаций земной поверхности на каждом этапе разработки месторождения; рациональный выбор времени и периодичности наблюдений. Выводы. Алгоритм построения и оптимизации системы маркшейдерского контроля позволяет осуществлять поэтапное развитие наблюдательных сетей и выбирать наименее затратные способы измерения деформаций на каждом из этапов. Способы измерения должны обеспечивать необходимую точность и рациональный график наблюдений, связанный с периодами эксплуатации месторождения. Это приведет к значительному снижению затрат на организацию и производство маркшейдерского контроля деформаций, особенно в начальный период эксплуатации месторождений.

Ключевые слова: деформация, маркшейдерский контроль, мониторинг, наблюдения, оптимизация, геодинамический полигон, горный массив, земная поверхность.

Формат цитирования: Шмонин В.И., Шмонин И.Б. О направлениях оптимизации системы маркшейдерского контроля деформаций земной поверхности и сооружений при разработке месторождений углеводородов // Известия Сибирского отделения Секции наук о Земле Российской академии естественных наук. Геология, разведка и разработка месторождений полезных ископаемых. 2017. Т. 40. № 3. С. 82-89. DOI: 10.21285/2541-9455-2017-40-3-82-89

аШмонин Виктор Игоревич, аспирант кафедры маркшейдерского дела и геодезии, тел.: (3952) 405102, e-mail: [email protected]

Viktor I. Shmonin, Postgraduate of the Department of Mining Surveying and Geodesy, tel.: (3952) 405102, e-mail: [email protected]

ьШмонин Игорь Борисович, кандидат технических наук, доцент кафедры маркшейдерского дела и геодезии, тел.: (3952) 405102, e-mail: [email protected]

Igor B. Shmonin, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Mining Surveying and Geodesy, tel.: (3952) 405102, e-mail: [email protected]

Известия Сибирского отделения Секции наук о Земле РАЕН. ISSN print

„2 Геология, разведка и разработка месторождений полезных ископаемых Т. 40, № 3 2541-9455 Proceedings of the Siberian Department of the Section of Earth Sciences RANS. ISSN online Geology, Exploration and Development of Mineral Deposits Vol. 40, No. 3 2541-9463

ON OPTIMIZATION TRENDS OF SURVEY MONITORING SYSTEM OF EARTH SURFACE AND STRUCTURE DEFORMATIONS UNDER HYDROCARBON DEPOSIT DEVELOPMENT

V.I. Shmonin, I.B. Shmonin

Irkutsk National Research Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk 664074, Russian Federation

ABSTRACT. Purpose. Monitoring of the Earth surface deformations and engineering structures is an integral part of the industrial safety system when developing oil and gas deposits. The monitoring is performed at geodynam-ical field testing sites. The area of licensed sites covers several hundred to thousands square kilometers. Therefore, the creation of the observation network as well as the performance of regular observations is costly. The purpose of the paper is development of the methods of organization and optimization of Earth surface deformation observations, which will allow to reduce the lump-sum costs of creation and operation of geodynamical field testing sites and interspace them in time. Methods. The scheduling of the survey monitoring system is to be organized according to the analysis of the mining and technological information, forecasting of the probable deformations zone boundaries, expected subsidence values as well as geographical demarcation. It is proposed to develop the survey monitoring system in several stages according to the stages of field development and exploitation. Results. A sequential algorithm has been proposed for building and optimization of the observation system. It involves stage-by-stage creation of networks for geodynamical observations; a differentiated approach to the selection of methods and devices to measure Earth surface deformations at each stage of deposit development; a rational choice of time and frequency of observations. Conclusions. The algorithm of building and optimization of survey monitoring enables a stage-by-stage development of observation networks and selection of the least costly methods for deformation measurement at each stage. The measurement methods are to provide the required accuracy and the efficient observation scheduling coordinated with the stages of deposit exploitation. The stated above strategy will result in reduction of costs for the survey monitoring of deformations especially at the initial stage of deposit development.

Keywords: deformation, survey monitoring, monitoring, observations, optimization, geodynamical field testing sites, rock formation, Earth surface

For citation: Shmonin V.I., Shmonin I.B. On optimization trends of survey monitoring system of earth surface and structure deformations under hydrocarbon deposit development. Proceedings of the Siberian Department of the Section of Earth Sciences of the Russian Academy of Natural Sciences. Geology, Exploration and Development of Mineral Deposits, 2017, vol. 40, no. 3, pp. 82-89. (In Russian). DOI: 10.21285/2541-9455-2017-40-3-82-89

Введение

Мировой и отечественный опыт добычи нефти и газа доказывает, что отбор флюида и технологическое воздействие на пласт нарушают природное равновесие горного массива и приводят к активизации геодинамических процессов, которые могут негативно отражаться на сооружениях и коммуникациях, расположенных на земной поверхности [1].

Обеспечение геодинамической безопасности является одной из задач системы промышленной безопасности при разработке нефтяных и газовых месторождений. Деформирование земной поверхности является интегральным отражением геодинамических процессов,

происходящих в горном массиве в результате разработки месторождений. Поэтому при согласовании годовых планов развития нефтедобывающих предприятий в органах Ростехнадзора вопрос о геодинамическом мониторинге является обязательным.

Контроль деформаций земной поверхности и инженерных сооружений в пределах границ горного отвода относится к компетенции маркшейдерской службы предприятия. Контроль должен проводиться в соответствии с техническим проектом (программой) выполнения комплекса маркшейдерских работ по созданию системы наблюдений за геодинамическими процессами [2]. Для мониторинга деформационных процессов на

ISSN print Известия Сибирского отделения Секции наук о Земле РАЕН.

2541-9455 Геология, разведка и разработка месторождений полезных ископаемых Т. 40, № 3 __

ISSN online Proceedings of the Siberian Department of the Section of Earth Sciences RANS. 2541-9463 Geology, Exploration and Development of Mineral Deposits Vol. 40, No. 3

территории лицензионных участков обычно создаются геодинамические полигоны, которые охватывают всю площадь участка. Площади лицензионных участков составляют от нескольких сотен до нескольких тысяч квадратных километров, следовательно, создание наблюдательной сети и выполнение регулярных измерений требуют от предприятия существенных затрат.

Известно, что добыча нефти не всегда сопровождается значительными деформациями земной поверхности, способными нанести ущерб технологическому оборудованию промысла и сооружениям. Необходимость создания геодинамического полигона на лицензионном участке в соответствии с п. 263 Инструкции по производству маркшейдерских работ [2] определяет документ, называемый «Горно-геологическое обоснование» (ГГО).

Для разработки ГГО обычно привлекаются специализированные организации, обладающие маркшейдерской лицензией. В указанном документе излагаются результаты анализа горногеологической обстановки месторождения углеводородов, оценивается возможность деформирования земной поверхности и дается заключение о необходимости создания геодинамического полигона либо об отсутствии таковой. Если в ГГО сделан вывод, что создание полигона не требуется, то такое ГГО не снимает указанную проблему на весь период эксплуатации нефтяного месторождения. Срок действия ГГО составляет обычно пять лет, после чего Ростех-надзор вправе потребовать либо новое ГГО, либо организацию маркшейдерского контроля деформаций земной поверхности в связи с изменением горногеологических условий, вызванных добычей нефти.

Направления оптимизации системы маркшейдерского контроля Для того чтобы предприятия,

добывающие углеводородное сырье, не несли необоснованные затраты на единовременное создание геодинамических полигонов в полном объеме, особенно в начальный период освоения месторождений, когда все силы и средства направляются на создание инфраструктуры промысла, предлагается оптимизировать маркшейдерский мониторинг деформаций земной поверхности и инженерных сооружений. Оптимизацию предлагается производить по трем направлениям: поэтапное создание сетей для геодинамических наблюдений; дифференцированный подход к выбору методов и средств измерений сдвижений земной поверхности на каждом этапе разработки месторождения; рациональный выбор времени и периодичности наблюдений.

При таком подходе каждый последующий шаг по развитию системы маркшейдерского контроля должен строиться на основе анализа и прогноза изменения горно-геологических условий разработки месторождения, прогноза деформаций, а также с учетом результатов ранее выполненного мониторинга. Это позволит обоснованно выбирать средства и способы наблюдений за оседаниями земной поверхности и поэтапно развивать и сгущать наблюдательные сети в случае необходимости. Таким образом, затраты на организацию маркшейдерского мониторинга будут оптимизированы и распределены во времени, что должно благоприятно сказаться на экономике предприятия и его взаимодействии с надзорными органами.

Оптимизацию системы маркшейдерского контроля деформаций земной поверхности предлагается производить по алгоритму, представленному в блок-схеме на рисунке.

Алгоритм оптимизации системы маркшейдерского контроля включает в себя последовательно четыре ступени: прогнозирование границ зон возможных

Известия Сибирского отделения Секции наук о Земле РАЕН. ISSN print

_ . Геология, разведка и разработка месторождений полезных ископаемых Т. 40, № 3 2541-9455 Proceedings of the Siberian Department of the Section of Earth Sciences RANS. ISSN online Geology, Exploration and Development of Mineral Deposits Vol. 40, No. 3 2541-9463

Оптимизация пс сроыал и периодичности наблюдений Optimization of observation scliedulins and

perLQcicit;.'

Оптимизация наолю нательных сетей для контроля деформаций земной поверхности и инженерных coopv.Kemrii Optimization of the observation networks for the monitoring of the Earth surface and. engineering structures deformations

Оптимизация меюлов и ipencTE измерений сдвижений земной поверхности и инженерньк сооружений Optimizitbn of the methods and devices for measurements of the Earth surface and engineering ütructures deformations

Алгоритм оптимизации системы маркшейдерского контроля деформаций Optimization algorithm of the deformation survey monitoring system

деформаций и ожидаемых оседаний земной поверхности, районирование по факторам техногенного воздействия на горный массив и земную поверхность, планирование развития системы маркшейдерского контроля по этапам разработки месторождения, оптимизацию

применения методов и средств маркшейдерского контроля.

Прогнозирование включает в себя прогноз зон возможных деформаций земной поверхности, прогноз ожидаемых значений оседаний земной поверхности и прогноз времени проявления дефор-

ISSN print Известия Сибирского отделения Секции наук о Земле РАЕН.

2541-9455 Геология, разведка и разработка месторождений полезных ископаемых Т. 40, № 3 __

ISSN online Proceedings of the Siberian Department of the Section of Earth Sciences RANS. 2541-9463 Geology, Exploration and Development of Mineral Deposits Vol. 40, No. 3

маций на земной поверхности.

Размеры зон возможных деформаций, значения деформаций и время их проявления на земной поверхности зависят от объемов и интенсивности техногенного воздействия на горный массив. Воздействие на горный массив складывается из добычи углеводородного сырья и закачки воды в пласт (изменение пластового давления), добычи подземных вод (понижение уровня подземных вод и образование депрессион-ной воронки).

Воздействие на земную поверхность складывается из нарушения ее естественного состояния при строительстве сооружений (вырубка леса, создание выемок и насыпей) и разработки карьеров по добыче грунта, что может привести к нарушению термодинамического равновесия верхних слоев грунта. В условиях Крайнего Севера последнее может вызвать как деградацию многолетней мерзлоты с образованием термокарстовых пустот, так и образование новых очагов промерзания с морозным пучением грунта. Учитывая, что верхние слои грунта (глубиной до 15 м) являются несущими для фундаментов сооружений инфраструктуры нефтепромыслов, нарушение термодинамического равновесия пород в указанном слое может привести к деформациям сооружений.

В результате прогнозирования устанавливаются границы зон ожидаемых деформаций земной поверхности и вероятные значения оседаний, а также время их проявления. Поскольку вовлечение в эксплуатацию запасов месторождений нефти и подземных вод происходит, как правило, поэтапно, то и проявление деформаций следует ожидать в такой же последовательности.

Районирование производится для выделения на территории лицензионного участка зон возможных деформаций земной поверхности по времени и интенсивности их проявления с целью вы-

бора мест создания наблюдательных сетей и этапности их развития, а также методов маркшейдерского контроля. При этом на деформации отдельных участков земной поверхности могут одновременно влиять несколько факторов.

По факторам техногенного воздействия предлагается проводить районирование от воздействия на горный массив и от воздействия на земную поверхность. Районирование заключается в наложении прогнозных границ зон деформирования земной поверхности на лицензионный участок месторождения. Результатом районирования будет план лицензионного участка с границами зон ожидаемых деформаций. При этом прогнозные зоны деформирования, построенные от разных факторов, могут накладываться друг на друга. Кроме указанных выше факторов техногенного воздействия на горный массив (понижение пластового давления и уровня подземных вод) на схеме районирования необходимо отразить положение границ тектонических разломов и контактов, по которым возможна активизация геологических процессов. Также на плане следует отразить ответственные инженерные сооружения, требующие маркшейдерского контроля, и охраняемые природные объекты, на устойчивость которых могут оказать негативное воздействие процессы, происходящие в горном массиве. Очевидно, что районы наложения прогнозных зон деформаций требуют повышенного внимания при организации маркшейдерского контроля.

Планирование этапов развития системы маркшейдерского контроля целесообразно увязывать с этапами освоения месторождений углеводородов, которые предусматриваются проектом разработки месторождения (технологической схемой). Соответственно строительство эксплуатационных скважин и вовлечение запасов месторождения в эксплуатацию производится поэтапно.

Известия Сибирского отделения Секции наук о Земле РАЕН. ISSN print

я, разведка и разработка месторождений полезных ископаемых Т. 40, № 3 2541-9455 Dceedings of the Siberian Department of the Section of Earth Sciences RANS. ISSN online Geology, Exploration and Development of Mineral Deposits Vol. 40, No. 3 2541-9463

Поэтому создавать наблюдательную сеть на лицензионном участке в полном объеме в начальный период освоения месторождения нет необходимости. На первом этапе достаточно заложить исходные пункты вне контура запасов и определить их планово-высотное положение. В дальнейшем развитие (сгущение) наблюдательной сети предлагается производить исходя из последовательности освоения запасов, а также с учетом зон, выделенных при районировании и требующих повышенного внимания. Кроме того, предлагается привлечение разных методов измерения сдвижений: каждому этапу могут соответствовать свои методы и точность измерений.

В настоящее время известен достаточно широкий набор методов и средств измерений, которые позволяют измерять смещения точек земной поверхности и элементов сооружений. Применяются как традиционные геодезические методы (например, высокоточное геометрическое нивелирование, точное тригонометрическое нивелирование), так и новые (спутниковые координатные определения, спутниковая радарная интерферометрия, наземное лазерное сканирование, точные свето-дальномерные измерения) [3-5]. Рациональное использование методов и средств измерений применительно к конкретным условиям на месторождении или к его отдельным участкам создают условия для оптимизации маркшейдерского мониторинга деформаций земной поверхности и сооружений.

Оптимизацию применения методов и средств маркшейдерского контроля деформационных процессов предлагается производить по трем направлениям: оптимизация наблюдательных сетей для контроля деформаций земной поверхности и инженерных сооружений; оптимизация методов и средств измерений сдвижений земной поверхности и

инженерных сооружений; оптимизация по срокам и периодичности наблюдений (см. рисунок).

Оптимизацию геодезических сетей для наблюдений за деформациями земной поверхности и инженерных сооружений предлагается производить по времени создания сети, по конфигурации сети, по охвату территории.

Оптимизация по времени создания наблюдательных сетей предусматривает их последовательное развитие, основанное на очередности отработки запасов месторождения и прогнозе времени проявления деформаций.

Конфигурацию сети предлагается проектировать в зависимости от вида мониторинга - мониторинг деформаций земной поверхности или деформаций инженерных сооружений. Если необходимо наблюдать за участком земной поверхности, сеть следует выстраивать так, чтобы пункты были относительно равномерно распределены по площади участка. Если это линейный объект (тектоническое нарушение или трубопровод), то наблюдения следует производить по профильным линиям. Для наблюдений за деформациями инженерных сооружений целесообразно сочетать профильные линии реперов и марки, закрепленные на фундаменте сооружения.

Оптимизация по охвату территории предусматривает создание определенных типов наблюдательных сетей: геодинамический полигон (на лицензионном участке), наблюдательная станция (на локальном участке), отдельные профильные линии и марки (на отдельном объекте).

Оптимизация методов и средств измерения сдвижений земной поверхности и инженерных сооружений заключается в выборе как методов, так и средств измерений в зависимости от необходимой точности, от конкретного объекта или территории. В зависимости от по-

ISSN print Известия Сибирского отделения Секции наук о Земле РАЕН.

2541-9455 Геология, разведка и разработка месторождений полезных ископаемых Т. 40, № 3 __

ISSN online Proceedings of the Siberian Department of the Section of Earth Sciences RANS. 2541-9463 Geology, Exploration and Development of Mineral Deposits Vol. 40, No. 3

ставленных задач могут применяться традиционные, современные методы или их комбинация. Методы контроля и точность предлагается оптимизировать также по этапам наблюдений.

Для оптимизации маркшейдерского мониторинга по срокам и периодичности предлагается разделить весь срок разработки месторождения на ряд этапов: строительства, начала эксплуатации, максимальной эксплуатации и завершения эксплуатации. Сроки и периодичность наблюдений предлагается оптимизировать исходя из специфики условий каждого из перечисленных этапов. По времени интервалы между сериями наблюдений или периодичность (от нескольких серий в месяц до одной серии в несколько лет) предлагается назначать и при необходимости корректировать в зависимости от ситуаций, возникающих на различных участках месторождения: интенсивности процесса деформирования земной поверхности и инженерных сооружений, фактических значений осе-

даний, природных и климатических условий.

Заключение

Поэтапное развитие наблюдательных сетей, выбор наименее затратных способов измерения сдвижений, обеспечивающих необходимую точность, и рациональный график наблюдений, согласованный с периодами эксплуатации месторождения, будут способствовать значительному снижению затрат на маркшейдерский мониторинг деформаций в период освоения месторождения и на начальной стадии его эксплуатации.

Предлагаемый алгоритм оптимизации маркшейдерского мониторинга позволяет, по нашему мнению, выбрать наиболее рациональную систему организации контроля процесса деформирования земной поверхности и инженерных сооружений, что, в свою очередь, должно привести к рациональному расходованию средств предприятий на обеспечения геодинамической безопасности при разработке нефтяных и газовых месторождений.

Библиографический список

1. Геодинамическая безопасность углеводородного потенциала недр России: концепция. М.: Изд-во ИГиРГИ, 2000. 56 с.

2. Инструкция по производству маркшейдерских работ. РД 07-603-03.

3. Кузмин Ю.О. Научно-методические основы обеспечения геодинамической безопасности объектов нефтегазового комплекса // Записки Горного института. 2010. Т. 188. С. 158-162.

4. Мусихин В.В. Принципы повы-

шения надежности сведений об оседаниях земной поверхности при интерфе-рометрической обработке радарных данных // Маркшейдерский вестник. 2012. № 1. С. 53-58.

5. Шмонин В.И. Методы наблюдений за резервуарами с вертикальной стенкой для хранения нефтепродуктов // Уральская горная школа - регионам: сб. докл. Междунар. науч.-практ. конф. Екатеринбург, 28-29 апреля 2014 г. Екатеринбург: Изд-во УГГУ, 2014. С. 339-340.

References

1. Geodinamicheskaya bezopasnost' uglevodorodnogo potentsiala nedr Rossii: kon-tseptsiya [Concept: "Geodynamic safety of subsurface hydrocarbon potential of

Russia"]. Moscow: Institute Of Geology and Development of Combustible Minerals Publ., 2000, 56 p. (In Russian).

Известия Сибирского отделения Секции наук о Земле РАЕН. ISSN print

я, разведка и разработка месторождений полезных ископаемых Т. 40, № 3 2541-9455 Dceedings of the Siberian Department of the Section of Earth Sciences RANS. ISSN online Geology, Exploration and Development of Mineral Deposits Vol. 40, No. 3 2541-9463

2. Instruktsiya po proizvodstvu marksheiderskikh rabot. RD 07-603-03. [Instructions for surveying performance. RD 07-603-03].

3. Kuzmin Yu.O. Scientific-methodological foundation for geodynamic safety of oil and gas objects. Zapiski Gor-nogo instituta [Journal of Mining Institute], 2010, vol.188, pр. 158-162. (In Russian).

4. Musikhin V.V. Principles of improving the reliability of data on the Earth surface subsidence under interferometric processing of radar data. Marksheiderskii vestnik [The "Mine Surveying Bulletin"

Критерии авторства

Шмонин И.Б., Шмонин В.И имеют равные авторские права и несут равную ответственность за плагиат.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Статья поступила 15.03.2017 г.

magazine], 2012, no. 1, pp. 53-58. (In Russian).

5. Shmonin V.I. Metody nablyudenii za rezervuarami s vertikal'noi stenkoi dlya khraneniya nefteproduktov [Observation methods of petroleum product storage tanks with a vertical wall]. Ural'skaya gor-naya shkola - regionam: sb. dokl. Mezhdu-nar. nauch.-prakt. konf. [Ural Mining School to the Regions. Proceedings of the International Scientific and Practical Conference]. 28-29 April 2014, Ekaterinburg. Ekaterinburg: Ural state mining University Publ., 2014, pp. 339-340. (In Russian).

Authorship criteria

Shmonin I.B., Shmonin V.I. have equal author's rights and bear equal responsibility for plagiarism.

Conflict of interests

The authors declare that there is no conflict of interests regarding the publication of this article.

The article was received 15 March 2017

ISSN print Известия Сибирского отделения Секции наук о Земле РАЕН.

2541-9455 Геология, разведка и разработка месторождений полезных ископаемых Т.

ISSN online Proceedings of the Siberian Department of the Section of Earth Sciences RAN 2541-9463 Geology, Exploration and Development of Mineral Deposits Vol. 40, No. 3