CC BY
83
Геодезия и маркшейдерия
УДК 528: 551.24
О НЕОБХОДИМОСТИ КОМПЛЕКСНОГО ПРИМЕНЕНИЯ ГРАВИМЕТРИИ И ГЕОДЕЗИЧЕСКИХ МЕТОДОВ ПРИ МОНИТОРИНГЕ ПРИРОДНОЙ И ТЕХНОГЕННОЙ ГЕОДИНАМИКИ НА МЕСТОРОЖДЕНИЯХ УГЛЕВОДОРОДОВ
Анатолий Иванович Каленицкий
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, доктор технических наук, профессор кафедры физической геодезии и дистанционного зондирования, тел. (383)361-01-59, e-mail: kaf.astronomy@ssga.ru
Эдуард Лидиянович Ким
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, соискатель, тел. (383)361-03-56, e-mail: 52tkrbv@rambler.ru
Проанализированы возможности гравиметрии в осуществлении контроля определения высот пунктов и степени их устойчивости по вертикали, разбраковки и упорядочении результатов нивелирных и спутниковых измерений на примере выполненных работ на Ново-портовском геодинамическом полигоне.
Приведено обоснование возможности получения грубых значений геодезических высот, дана оценка реальной точности определения высот пунктов на базе спутникового координирования на примере расчета возможных погрешностей определения превышений.
Ключевые слова: месторождения нефти и газа, геодинамический полигон, геодезическо-гравиметрический комплекс мониторинга геодинамики.
JOINT APPLICATION OF GRAVIMETRY AND GEODETIC METHODS FOR MONITORING OF NATURAL AND ANTHROPOGENIC GEODYNAMICS IN HYDROCARBON FIELDS
Anatoly I. Kalenitsky
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 630008, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., Ph. D., Prof., Department of Physical Geodesy and Remote Sensing, tel. (383)361-01-59, e-mail: kaf.astronomy@ssga.ru
Eduard L. Kim
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 630008, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., Applicant for Doctor’s degree, tel. (383)361-03-56, e-mail: 52tkrbv@rambler.ru
Capabilities of gravimetry are presented as regards control of vertical reference stations heights determination, degree of their stability, sorting and ordering of leveling and satellite measurements results (by the example of works on Novoportovsky geodynamic testing area).
The possibility and inevitability of obtaining rough height values are substantiated. Real accuracy of reference point height determination is estimated. The example of calculating possible error of height difference determination by satellite coordination is given.
Key words: oil and gas fields, geodynamic testing area, geodetic and gravimetric technique for geodynamics monitoring.
15
Вестник СГУГиТ, вып. 1 (29), 2015
Произошедшее в середине прошлого века разделение гравиметрии на «геодезическую» и «геофизическую» (гравиразведку) было связано в основном с ведомственными интересами. Это разделение привело к тому, что результаты гравиметрии стали интерпретироваться искаженно, в ряде случаев, - односторонне, с существенной потерей возможностей универсальности метода, измерительное разрешение которого характеризуется в настоящее время величиной порядка (1-3)Э0 , что по точности приближается к высокоточному нивелированию [1]. Ведомственный подход не аккумулирует, а разобщает опыт использования гравиметрии как уникального высокоразрешающего метода. Научное сообщество все больше обеспокоено таким положением дел и настаивает на международном обсуждении возможности снятия «проблемы» [2].
Основной причиной разногласий в интерпретации результатов гравиметрии стали особенности истолкования понятия «редукция» [3, 4, 5, 7]. До сих пор значительная часть геодезистов и геофизиков воспринимает суть этого термина как «приведение» результатов к какой-то поверхности, хотя смысловое содержание указанного термина в справочных изданиях однозначно трактуется как упрощение, упорядочение [6, 7].
В геодезии, по аналогии с линейно-угловыми измерениями, задача редуцирования воспринимается и истолковывается некорректно, как пересчет (приведение) к уровню отсчетного эллипсоида, проецирование на него. По этому поводу выдающийся советский геодезист М. С. Молоденский указывал [8], что в гравиметрии процесс редуцирования должен восприниматься однозначно: это -пересчет и исключение из измеренного в точках реальной поверхности измерения теоретического (нормального) поля. При этом обязательным является предположение, что поверхность измерений является изменяющейся линейно между ними. Таким образом, результаты гравиметрии, как и аномальные значения силы тяжести, полученные с учетом исключения нормального гравитационного поля Земли с использованием нормального (теоретического) вертикального градиента, никуда не «редуцируются» по высоте, а относятся к точкам поверхности измерений. «Приведение» их значений к одному уровню (выше поверхности измерений) возможно и теоретически, и практически, в том числе на основе подбора вспомогательной модели в нижнем полупространстве, обеспечивающей ее гравитационный эффект, совпадающий с аномальным в пределах точности измерений.
Практика высокоточных геодезическо-гравиметрических натурных измерений с целью мониторинга степени устойчивости земной поверхности на ряде геодинамических полигонов (Спорышевском, Западно-Суторминском, Вынга-пуровском, Ново-Портовском, Верх-Тарском) убедительно показала надежность этого комплекса, который создает определенную степень избыточности получаемых результатов, позволяющей, с одной стороны, независимо контролировать качество результатов каждого из применяемых методов (спутникового координирования, нивелирования II класса, гравиметрии), а с другой, - выполнять их качественную и количественную как по каждому методу в отдель-
16
Геодезия и маркшейдерия
ности, так и (что особенно важно) комплексную интерпретацию [9-11, 13-16]. В частности, что касается нивелирования, то опыт показал, что гравиметрия сразу же позволяет, например, определить, где нивелирные рейки устанавливались на разные марки центров, заложенных рядом. Более того, гравиметрия позволяет однозначно (еще на стадии предварительного контроля) определить, в каких секциях вынужденно пришлось (из-за трудностей прохождения на местности) высоты реперов определять по результатам спутникового координирования, «приведенного» к уровню отсчета нормальных высот. Это обстоятельство обусловило необходимость проведения специальных исследований, направленных на теоретическое обоснование не только возможности, но и неизбежности проявления, как считают некоторые опытные геодезисты, эффекта «натянутой струны», существенно загрубляющего результаты определения геодезических высот, получаемых в процессе высокоточного (независимо от типа применяемой аппаратуры) координирования с использованием спутниковых технологий. В этой связи коснемся истоков неизбежности получения загруб-ленных значений геодезических высот по результатам спутниковых координатных определений с целью оценки реальной точности определения таких высот пунктов спутниковым методом
В основу развития государственной геодезической сети 1 -го и 2-го класса в СССР был заложен один из основных принципов соблюдения геометрической «жесткости» фигур построения входных, выходных и контрольных длин базисов, измеряемых с максимально возможной высокой точностью (для базисов 1 -го класса относительная погрешность измерения его длины не грубее 1 : 1 000 000). Место расположения базиса тщательно расчищалось, нивелировалось с целью определения его реального размера на плоскости. Базис являлся одной из диагоналей геодезического плоского четырехугольника, все углы в котором измерялись с максимально возможной точностью. Г еодезический четырехугольник «на плоскости», когда его диагонали пересекаются в одной точке, обеспечивает надежную жесткость соотношения его сторон и диагоналей. Это и определяло надежное вычисление значений длин горизонтальных проло-жений входных и выходных сторон рядов триангуляции 1-го класса и внутренних (контрольных) сторон сплошной сети триангуляции 2-го класса. При этом размер углов между сторонами треугольников жестко регламентировался.
В отличие от вышеуказанных геометрических построений, современное спутниковое координирование (позиционирование) осуществляется с использованием комплекса активных спутников для каждого из определяемых наземных пунктов. При этом величины углов между дальностями на спутники и на определяемые пункты фактически никак не регламентируются. Жесткость пространственных линейных построений не обуславливается никакими условиями. Фактически она отсутствует, так как нет пересечения дальностей (D) и горизонтальных проложений их линий ( ). Все это, в конечном итоге, позволяет сравнительно надежно определить плановое положение пунктов, но не превышений между ними, как это предполагается по умолчанию. Следует, как это не кажет-
17
Вестник СГУГиТ, вып. 1 (29), 2015
ся парадоксальным, отметить, что наиболее «невыгодными» являются пункты в равнинной местности с относительно небольшими превышениями между ними. Определенная часть геодезистов такую ситуацию уже оценила, присвоив ей название эффекта «натянутой струны» - при смещении концов струны друг к другу до определенного предела середина струны выгнется вверх или вниз больше, чем горизонтальное смещение концов ее навстречу друг другу. В связи с этим, уже с некоторых пор геодезисты весьма скептически воспринимают возможность мониторинга вертикальных смещений по результатам спутникового координирования (позиционирования).
Следует заметить, что положение дел осложняется (в плане вышеизложенного) еще и тем, что в отличие от плоского четырехугольника, в пространственных построениях практически обеспечить жесткость линейных построений нельзя так, чтобы дальности или хотя бы горизонтальные проложения пересекались в одной точке.
Проиллюстрируем вышеизложенное на примере, представленном на рис. 1.
H
Рис. 1. Иллюстрация изменения высоты пункта А из -за погрешности планового положения пункта В
На рис. 1 приняты следующие обозначения:
В - местоположение «исходного» пункта;
А - определяемое положение пункта А;
D - дальность между пунктами А и В;
Превышение h и горизонтальное проложение l - это катеты треугольника АОВ, их погрешности измерений соответственно обозначим через mh и ml.
Считаем, что величина D - фиксированная без значимой погрешности, определяемое значение горизонтального проложения l имеет погрешность ±mi в пределах оцениваемого эллипса ошибок координирования. В этом случае можно записать
18
Геодезия и маркшейдерия
h2 = D2 -12 (1)
и, считая значение D безошибочным, в результате дифференцирования и перехода к средним квадратическим погрешностям имеем
mh = ±(1 / h) • m = ctga • m (2)
где a - угол наклона измеренной дальности D относительно ее горизонтального проложения l.
Из выражения (2) следует, что в случае уменьшения превышения между исходным и определяемым пунктом значение средней квадратической ошибки определения его величины существенно возрастает.
Если высота пункта А определяется из N дальностей с близлежащих исходных пунктов, то выражение (2) будет иметь вид
mh =±
4
N -
h
m = ±—^ - ctg Ы- m,,
4N ' '
i
(3)
где i, h - среднее значение соответственно горизонтальных проложений и превышений (по абсолютной величине) от ближайших пунктов до определяемого;
|a| - среднее по абсолютной величине значение угла наклона дальностей от вышеуказанных пунктов на определяемый пункт А.
Если, например, предположить, что число N = 6, I = 25 км, mi = ±0,005 м, то получим значения mh, представленные в таблице.
Таблица
Изменения значений в зависимости от величины
№ п/п 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
h , м 5 15 25 35 45 55 65 75 85 95
mh, м 10,2 3,4 2,0 1,5 1,1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5
Приведенные результаты оценки качества определения геодезических высот с использованием спутникового координирования подтверждены апробацией их использования на ряде геодинамических полигонов в районах освоения месторождений УВ. Построение сети пунктов с целью изучения геодинамических процессов на интенсивно осваиваемых территориях, в том числе в районах добычи нефти и газа, должно базироваться как на создании высокоточной нивелирной основы, непосредственно направленной на изучение вертикальных смещений земной поверхности, так и геодезического мониторинга горизон-
19
Вестник СГУГиТ, вып. 1 (29), 2015
тальных смещений земной поверхности с использованием спутниковых технологий. В обоих случаях эффективность указанных технологий существенно повышается, когда в комплексе с ними используется гравиметрия.
Рассмотрим далее роль гравиметрии в разбраковке и упорядочении результатов нивелирных и спутниковых измерений на примере Новопортовского геодинамического полигона. Южная часть Новопортовского месторождения, на которой в 2013 г. был создан геодинамический полигон, расположена за Полярным кругом в юго-восточной части полуострова Ямал. Структура месторождения характеризуется поднятием с весьма крутыми склонами в юго-западном и северо-восточном направлениях. Залегание пластов в целом соответствует конфигурации основания, часто они выклиниваются к верхней части свода. Дневная поверхность - тундра с резко врезанными руслами речек, затрудняющими переход через них.
Результаты натурных измерений для обработки поступали нерегулярно, порциями. Связь осуществлялась также нерегулярно. Измерения (нивелирование, спутниковое координирование и гравиметрия) выполнялись частями по ходам, которые, как правило, имели замкнутый вид или соединялись перемычками между параллельными маршрутами.
По результатам вышеуказанных измерений была построена схема проло-жения ходов. По данным гравиметрии были получены и построены планы аномалий силы тяжести в редукции Буге. Выяснилось, что на них значения локальных аномалий силы тяжести в указанной редукции имеют ряд коротких по протяженности узконаправленных локальных значений, кусочно совпадающих с фрагментами съемочных линий (ходов). Возникло подозрение о браке в нивелировании. Пришлось выполнить выбраковку точек указанных локальных аномалий посредством осреднения его поля с возможно минимальным радиусом. По «отскочившим» значениям bgH аномалий были подсчитаны ошибки ЬИ в высотах точек:
ЬИ
5%
0,308 6
(4)
Эти данные были переданы исполнителям с тем, чтобы в секциях между узловыми пунктами «выбросы» высот (ЬИ) были измерены повторно. В результате выяснилось, что на сомнительных пунктах, из-за отсутствия возможности их включения в нивелирный ход, высоты определялись точечно на основе данных спутниковых измерений.
Исходя из вышеуказанного, для всех пунктов, где выполнялось геометрическое нивелирование и спутниковое координирование, были определены разницы нормальных и геодезических высот и по ним построена схема поля аномалий высот [17], представленная на рис. 2. Горизонтали этого поля представляют плавную поверхность - без единого локального «выброса», что свидетельствует о высоком качестве измерений.
20
Геодезия и маркшейдерия
Рис. 2. Схема поля аномалий высот на территорию геодинамического полигона Новопортовского месторождения
Использование полученных значений аномалий высот позволило исправить значения силы тяжести и построить карты региональных и локальных аномалий силы тяжести в редукции Буге с различным радиусом осреднения с целью выполнения качественной и количественной интерпретации для выявления участков, наиболее перспективных на обнаружение новых залежей углеводородов, уточнение конфигурации структурного плана, а также участков повышенного геодинамического риска.
Следует отметить, что наличие цифрового плана аномалий высот позволяет определять значения уклонения отвесной линии по широте и долготе без традиционной сложной процедуры расчета значений возмущающего потенциала и его трансформант.
В заключение можно сделать следующие выводы:
- современные гравиметры обеспечивают возможность существенного снижения стоимости высокоточных гравиметрических измерений (сопоставимой с стоимостью нивелирования) за счет исключения последовательного развития опорной каркасной, опорной заполняющей и рядовой гравиметрических сетей. Это достигается надежной компенсацией температурного воздействия на измерительную систему из-за незначительного смещения нуль-пункта в них
21
Вестник СГУГиТ, вып. 1 (29), 2015
в течение рабочего рейса, которое учитывается линейно на основе выполнения рейсов по петлевой замкнутой системе с узловыми пунктами, являющимися последовательно выходными в предыдущей петле и входными - в последующих [12]. Перестройка диапазона измерений в них не требуется. Высокая точность гравиметра обеспечивается практически в пределах ±0,01-0,03 мГал. Взятие отсчетов, их запоминание и хранение в электронном виде осуществляется автоматически с возможностью записи на внешний электронный носитель;
- появляется возможность проведения контроля качества данных нивелирования гравиметрией и наоборот;
- применение гравиметрии в комплексе с высокоточным нивелированием дает избыточные данные натурных наблюдений, обеспечивающие высокое качество получаемых сведений о геодинамическом состоянии изучаемой территории в результате их комплексной обработки и интерпретации.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Колмогоров В. Г. К вопросу о возможности изучения деформационного состояния земной поверхности по результатам повторного высокоточного нивелирования // Вестник СГГА. - 2012. - Вып. 1 (17). - С. 9-14.
2. Hackney R. I., Featherstone W. E. Геодезический взгляд на «гравитационную аномалию» по сравнению с геофизическим // Geophis. J. Int.. - 2003. - 154. - Р. 35-43.
3. Дементьев Ю. В., Каленицкий А. И. Топографическое обеспечение определения полной топографической редукции силы тяжести // Вестник СГГА. - 2014. - Вып. 2 (26). - С. 3-8.
4. Дементьев Ю. В., Каленицкий А. И. Вычисление вертикальной составляющей притяжения масс однородного цилиндра и конуса // Вестник СГГА. - 2013. - Вып. 1 (21). - С. 3-10.
5. Выбор и обоснование оптимальных условий линейной интерпретации топографической редукции за влияние масс промежуточного слоя внешней области / Ю. В. Дементьев, А. И. Каленицкий, А. В. Черемушкин // Вестник СГГА. - 2012. - Вып. 4 (20). - С. 18-26.
6. Толковый словарь русского языка / С. И. Ожегов, М. Ю. Шведова. - М.: РАН РФ, 2003. - 940 с.
7. БЭС. - М., С.-Пб. - 1434 с.
8. Молоденский М. С. Основные вопросы геодезической гравиметрии // Труды ЦНИИГАиК (вып. 42). — М.: Изд-во геодезической и картографической литературы ГУГК при СНК СССР, 1945. - 110 с.
9. Результаты применения гравиметрии и высокоточного нивелирования при локализации участков повышенного геодинамического риска на месторождениях углеводородов /
A. И. Каленицкий, Э. Л. Ким, М. Д. Козориз, В. А. Середович // Вестник СГГА. - 2010. -Вып. 1 (12). - С. 14-20.
10. Каленицкий А. И., Ким Э. Л. Результаты первого цикла натурных геодезическогравиметрических измерений на Вынгапуровском геодинамическом полигоне // Геодезия и картография. - 2011. - № 8. - С. 30-35.
11. Результаты комплексных геодезическо-гравиметрических наблюдений на геодинамическом полигоне Спорышевского месторождения УВ / А. И. Каленицкий, Э. Л. Ким,
B. А. Середович, М. Д. Козориз // ГЕО-Сибирь-2011. Пленарное заседание : сб. матер. VII Междунар. научн. конгресса «ГЕО-Сибирь-2011», 19-29 апреля 2011 г., Новосибирск. -Новосибирск : СГГА, 2011. - С. 62-71.
12. Каленицкий А. И., Розенфарб И. А. О структуре и оценке точности опорных гравиметрических сетей крупномасштабных съемок // Вопросы рудной геофизики Сибири. -Тр. СНИИГГИМСа. - 1969. - Вып. 92. - С. 88-94.
22
Геодезия и маркшейдерия
13. Каленицкий А. И., Ким Э. Л. О комплексной интерпретации данных геодезическогравиметрического мониторинга техногенной геодинамики на месторождениях нефти и газа // Вестник СГГА. - 2012. - Вып. 4 (20). - С. 3-13.
14. Каленицкий А. И., Ким Э. Л., Середович В. А. Комплексное геодезическогравиметрическое изучение техногенной геодинамики на месторождениях полезных ископаемых // Современная геодинамика недр и эколого-промышленная безопасность объектов нефтегазового комплекса: материалы Всероссийской конференции. - М.: ООО «ТиРу», 2013. - С. 75-82.
15. Каленицкий А. И., Ким Э. Л., Середович В. А. К вопросу создания геодинамических полигонов на месторождениях нефти и газа // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2014. Х Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Геодезия, геоинформатика, картография, маркшейдерия» : сб. материалов в 2 т. (Новосибирск, 8-18 апреля 2014 г.). - Новосибирск: СГГА, 2014. Т. 2. - С. 59-69.
16. Каленицкий А. И., Ким Э. Л., Середович В. А. Современное представление о проведении геодинамических исследований на месторождениях нефти и газа // Изв вузов. Геодезия и аэрофотосъемка. - 2013. - № 4/с. - С. 19-27.
17. Каленицкий А. И., Ким Э. Л. Методика и результаты определения разницы геодезических и нормальных высот на территории Спорышевского и Западно-Суторминского геодинамических полигонов // ГЕО-Сибирь-2008. IV Междунар. науч. конгр. : сб. материалов в 5 т. (Новосибирск, 22-24 апреля 2008 г.). - Новосибирск: СГГА, 2008. Т. 1, ч. 2. - С. 27-30.
Получено 18.02.2015
© А. И. Каленицкий, Э. Л. Ким, 2015
23
