CC BY
73
УДК 528.852
М.Д. Козориз, А.Л. Макарчук
ОАО «Сибнефть-Ноябрьскнефтегаз», Ноябрьск
О СОЗДАНИИ ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКОГО ДЕФОРМАЦИОННОГО МОНИТОРИНГА ПРИ ОСВОЕНИИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ НЕФТИ
Одной из первоочередных и глобальных задач современности, внимание к которой постоянно возрастает, является рациональное и экологически безопасное использование человеком природных ресурсов, в том числе геологических. Контроль за течением геологических процессов, прогноз их развития, осуществление профилактических и защитных мероприятий приобрели в настоящее время характер актуальнейших задач государственного масштаба. Решение этих задач невозможно без наличия разномасштабных, долговременных и целенаправленных наблюдений за объектами геологической среды, лишь на основе которых и могут быть установлены тенденции развития различных геологических процессов (как природных, так и антропогенных или техногенных), вскрыт механизм и разработаны рекомендации по их управлению. Именно решению этих задач и служит мониторинг геологической среды.
Среди дистанционных методов наблюдений в системе мониторинга геологической среды используются две основные группы способов: аэрокосмогеологические и геофизические.
Основными видами дистанционных аэрокосмических методов исследований геологической среды, которые могут с успехом использоваться в системах мониторинга, являются фотосъемка (ФС), космическая съемка (КС), телевизионная (ТС), инфракрасная (ИКС), радиотепловая (РТС), радиолокационная радарная (РЛС) и многозональная съемка (МС). Практически все эти методы полезны при оценке техногенных изменений геологической среды, поиске ареалов загрязнений, оценке динамики техногенных изменений геологической среды и т.д.
Среди дистанционных, в системе мониторинга геологической среды, чаще всего используются методы аэрокосмического дешифрирования (ФС и КС). При этом, в зависимости от масштаба съемки, могут применяться снимки различного масштаба. Так, для крупномасштабной геоэкологической съемки - крупномасштабные аэрофотоснимки масштаба 1:1 000 - 1:5 000, позволяющие наиболее детально исследовать техногенные изменения различных элементов геологической среды и других природных компонентов. Снимки более мелкого масштаба (1:10 000 - 1:25 000) полезны при оценке техногенных изменений ландшафтов, загрязнений литосферы и других преобразований геологической среды, проявляющихся и захватывающих значительные площади.
Космические снимки (КС) и (МС), как уникальный источник многообразной новейшей информации, призваны сыграть в экологическом картографировании столь же важную роль, какую они играют в исследованиях Земли и ее ресурсов. При этом комплексный характер геоэкологических проблем требует тесного взаимодействия космических методов с другими.
Космическая информация в равной степени полезна при анализе природных и антропогенных факторов экологической обстановки, влияющих непосредственно, или оказывающих косвенное воздействие. При этом роль сравнительно мелкомасштабной и генерализованной космической информации возрастает при переходе от изучения параметров и элементов среды к ее компонентам и природно-территориальным комплексам (ПТК). Дешифрирование фотоснимков даже в зоне интенсивного техногенного освоения позволяет: определить контуры и площади проявления всех геологических процессов, если они в той или иной мере выражены в рельефе; получить основные морфометрические характеристики поверхности; установить условия и факторы, вызывающие возникновение различных процессов и контролирующих их развитие; оценить ущерб наносимый, тем или иным процессом, природной среде и инженерным сооружениям.
В настоящее время среди дистанционных методов, успешно применяемых при мониторинге природной среды, в том числе геологической, является многозональная аэрофотосъемка (АФС). Снимки выполняются в различных диапазонах спектра и в итоге получают своеобразный “ спектральный образ” того, или иного объекта геологической среды (почв, поверхностных грунтов, асфальтовых покрытий, инженерных сооружений, водной поверхности и др.). Дешифрирование АФС или АКФС, которое в настоящее время автоматизировано, и последующий их анализ позволяют в конечном итоге получить большую информацию о состоянии и изменении геологической среды.
Техногенные и природные воздействия нарушают равновесие геологической cреды, что приводит к заболачиванию территорий, просадке грунта, оползням, провалам, возбужденной сейсмичности и другим неблагоприятным экологическим последствиям. Они, в свою очередь, обуславливают деформации различных наземных инженерных объектов и могут вызвать аварии и катастрофы.
Кроме того, в последние годы, наукой были получены принципиально новые данные о современном геодинамическом состоянии земных недр. Оказалось, что имеют место современные суперинтенсивные деформации (СД) земной поверхности со скоростями до 50-70 мм/год, которые приурочены к зонам тектонических нарушений (разломам различного типа и порядка). При этом, наиболее неожиданный результат заключается в том, что наибольшая интенсивность геодинамических аномалий наблюдается в платформенных асейсмичных областях.
Проводимые, по заказам Миннефтепрома, изучения современных движений земной коры в нефтегазоносных осадочных бассейнах Русской платформы (Припятский прогиб, Башкирский свод и Соликамская впадина), Западно-Сибирской плиты (Вартовский свод), предгорных и межгорных прогибов складчатых областей (Терско-Каспийский, Предгиссарский, Рионо-Куринский) позволили ученым вывести ряд эмпирических обобщений, касающихся интенсивности и масштабов современного аномального геодинамического состояния земных недр:
1. Выявлено наличие интенсивных локальных аномалий вертикальных и горизонтальных движений земной поверхности, которые приурочены к зонам тектонических нарушений (разломов, разрывов и т.д.) различного типа и порядка. Эти аномальные движения высокоградиентны (свыше 50мм/год), короткопериодичны (от 0.1 года до первых лет), пространственно локализованы (от 0.1 км до первых км) и обладают пульсационной и знакопеременной направленностью.
2. Основные пространственно-временные характеристики аномальных движений идентичны как для сейсмоактивных, так и для асейсмичных разломных зон, при этом интенсивность деформационного процесса в разломах асейсмичных, платформенных регионов выше, чем в сейсмоактивных (1).
Существование всех перечисленных неблагоприятных факторов вызывает необходимость выполнения постоянных, детальных наблюдений (мониторинг) за состоянием окружающей природной среды и недр.
Работу целесообразно начинать с выбора полигона, где активно проявляются геоэкологические последствия и связанные с ними деформационные процессы, а также имеются достаточно полные количественные данные об этом. Необходимо выполнить сбор, систематизацию и первичный анализ имеющейся пространственно -временной информации об изменениях факторов внешней среды, гидрогеологических, инженерно-геологических и других условий, о развитии деформаций, возникновении аварий и катастроф. На основе проведенного анализа необходимо оценить достаточность и точность имеющихся результатов комплексных натурных наблюдений, разработать общие методологические принципы и конкретные методики получения репрезентативных комплексных данных и реализовать их в последующих наблюдениях.
Проблемы повышения надежности и долговечности инженерных объектов, предотвращения аварий и катастроф всегда актуальны. Решение их требует высококачественного топографо-геодезического обеспечения, осуществляемого преимущественно автоматизированными, бесконтактными, неразрушающими методами с использованием оптимальной фильтрации, моделирования, анализа, интерпретации и прогнозирования. Инструментарием для эффективного использования результатов комплексных натурных наблюдений за изучаемыми процессами должны служить компьютерные геоинформационные системы (ГИС), создаваемые на крупномасштабной топографо-геодезической основе.
В отечественной и зарубежной практике нет достаточного опыта создания крупномасштабных ГИС, имеющих базы данных результатов наблюдений за сложным пространственно-временным взаимодействием инженерных объектов с геологической и внешней средой, а также соответствующие подсистемы управления, математической обработки и моделирования. Создание таких ГИС обусловлено необходимостью своевременного предупреждения возможных аварий и катастроф,
оптимизации сроков выполнения регламентных и ремонтных работ, в том числе программ комплексных натурных наблюдений. При этом эффективность ГИС повысится, если подсистемы математического моделирования будут дополнены программными средствами для
прочностных расчетов несущих конструкций инженерных объектов по прогнозным оценкам ожидаемых деформаций. Математическое
моделирование дает возможность определять количественные
закономерности развития деформаций однотипных инженерных объектов, возводимых и эксплуатируемых в одинаковых геологических и внешних условиях. Знание общих закономерностей значительно повысит эффективность проектирования, строительства и эксплуатации инженерных объектов. Таким образом, предлагая исследовать в единой системе воздействующие факторы, геологическую среду и инженерные объекты, выдвигается идея рассмотрения деформационных процессов в экологическом аспекте. С учетом требований к точности инженерных решений возникает необходимость создания крупномасштабных элементов ГИС экологического кадастра и мониторинга природной среды, включающих и инженерные объекты.
Следующий этап создания ГИС заключается в разработке методов и программных средств для совместного межциклового уравнивания мобильных плановых и высотных геодезических сетей и идентификации математических моделей интерпретации. При этом необходимо использовать аппарат оптимальной фильтрации для повышения точности определения деформаций, оценки адекватности и точности моделей. В ходе построения динамических моделей изучаемых процессов и явлений, по возможности, должна быть проведена аналогичная математическая обработка других видов комплексных натурных наблюдений. Завершающая часть данного этапа -переход к кинематическим и динамическим моделям прогноза каждой наблюдаемой реализации изучаемого деформационного процесса и оценка их точности.
На завершающем этапе решения научно - методических задач необходимо разработать конфигурацию технических средств и структуру взаимодействия подсистем программно - технического комплекса ГИС. Очевидно, что разработка должна выполняться, исходя из имеющихся технико-экономических возможностей, но с обязательным учетом результатов решения предыдущих задач. Создание ГИС геоэкологического и деформационного мониторинга представляет собой проблему, решить которую можно только с участием специалистов разного профиля. Однако при этом будут преобладать геодезические методы математической обработки и моделирования. Следовательно, научно - техническая роль специалистов топографо - геодезического профиля в создании ГИС будет ведущей.
Наряду с традиционными геодезическими методами необходимо особо отметить возрастающие возможности использования высокоточной гравиметрии. В комплексе с другими методами исследований гравиметрия дает возможность решать задачи экологической направленности. Это -
выявление разломов, карстовых пустот, оползней, трещин отрыва, регистрация изменений режимов фильтрации подземных вод, классификация геологических структур. На основе результатов высокоточных гравиметрических измерений можно выделять малоамплитудные локальные аномалии силы тяжести и определять динамику их изменений, что позволяет получать детальные плотностные характеристики оснований инженерных объектов и оценивать последствия техногенных воздействий на них.
Все это особенно актуально для ОАО “Сибнефть-Ноябрьскнефтегаз” при промышленной разработке Спорышевского месторождения, так как техногенная нагрузка территории месторождения уже сегодня достаточно перенасыщена. По большой оси месторождения проходит железная дорога Сургут - Уренгой, восточную часть месторождения пересекают три нитки магистрального газопровода Уренгой-Челябинск диаметром 1420 мм, 2 нитки конденсатопровода Уренгой - Сургут диаметром 820 мм, с запада на восток через месторождение проложен продуктопровод Ноябрьский ГПЗ - Мегионский ГПЗ, в северо-западной части проходит нефтепровод Вынгаяха - Холмогорская НПС, с запада проходит автомобильная дорога г. Ноябрьск - ЗападноНоябрьское месторождение. В месте пересечения железной дороги и магистрального продуктопровода происходит еще и пересечение двух предполагаемых динамически-напряженных зон предположительно сопоставимых с тектоническими разломами в осадочном чехле. На материалах космической съемки в контуре месторождения дешифрируются шесть отдельных самостоятельных блоков, которые секутся уже существующими и проектируемыми инженерными сооружениями.
В местах пересечений инженерных коммуникаций с предполагаемыми разломами за последние два года начали наблюдаться интенсивные порывы трубопроводов, так из 24 аварийных отказов нефтепроводов так или иначе 21 случай приурочен к выделенным динамически-напряженным зонам. В районе кустов 7 и 8 уже зафиксировано 7 порывов, причем 6 из них произошли в 2004г. В 2005 году уже произошло несколько порывов в районе разведочной скважины №654 и на напорном нефтепроводе до пересечения с железной дорогой. Места аварий, имеющих значительные экологические последствия, сопряжены с предполагаемыми зонами разломов.
По нашему мнению, для получения более расширенного спектра данных по проводимым работам, целесообразно было бы провести цикл геохимических исследований на предмет наличия в предполагаемых местах динамически- напряженных зон (ДНЗ) повышенной концентрации инертных газов, повышающих коррозионное воздействие на трубопроводы.
Имеющиеся в нашем распоряжении данные сейсмических исследований, геологоразведочного бурения и дешифрирования космических снимков свидетельствуют о сложном геологическом строении месторождения. Предполагается наличие субвертикального экранирования, при этом возможны литологические (пласты ПК 19, АС 4) и тектонические экраны (пласт БС 10). Возникновение последних обусловлено напряженно-деформированным состоянием осадочного чехла.
Угроза экологической безопасности данной территории усугубляется, кроме вышеперечисленных факторов, еще и тем, что Спорышевское месторождение расположено в непосредственной близости от городской застройки Ноябрьска.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Н.А. Касьянова, Ю.О. Кузьмин “Современная аномальная геодинамика недр и ее влияние на объекты нефтегазового комплекса”. АЗОТ “Геоинформмарк”. М. 1996г.
2. Ю.А. Кашников и др. “ О создании геодинамических полигонов при разработке нефтяных месторождений”. Маркшейдерский вестник N 4 - 1997г.
3. Ю.О. Кузьмин “ Современные суперинтенсивные деформации земной поверхности в зонах платформенных разломов”. ”Геологическое изучение и использование недр”. Инф. сборник, вып.4. М.1996г.
© М.Д. Козориз, А.Л. Макарчук, 2005
