Прогноз инженерно-геологических условий на участках переходов продуктопроводов через водные преграды Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

ВЕСТНИК ПЕРМСКОГО УНИВЕРСИТЕТА

2013 Геология Вып. 4(21)

УДК 621.644.074: 624.131.3

Прогноз инженерно-геологических условий на участках переходов продуктопроводов через водные преграды

А.В. Татаркин, А.А. Филимончиков

ООО Научно-исследовательское, проектное, производственное предприятие по природоохранной деятельности «Недра», 614064, Пермь, ул. JL Шатрова, 13а. E-mail: nedra@nedra.perm.ru

(Статья поступила в редакцию 7 октября 2013 г.)

Рассмотрен опыт применения электроразведочных исследований при выполнении инженерно-геологических изысканий на акваториях в зимний период. Показана актуальность наблюдений на двух уровнях - с поверхности и со дна водоемов - с целью повышения информативности. Приведен пример успешного использования геофизических исследований на различных стадиях в комплексе инженерно-геологических изысканий. Предлагаются пути развития в области интерпретации акваториальных измерений.

Ключевые слова: продуктопроводы, охрана окружающей среды, геофизические исследования акваторий, вертикальное электрическое зондирование, прогноз инженерно-геологических условий.

Продуктопроводы являются одной из распространенных транспортных систем, позволяющих доставлять большие объемы продукции нефтегазовой промышленности, а также средства, необходимые для функционирования месторождений: воду, пар, растворы кислот и т.д. Увеличение объемов добываемой и транспортируемой продукции [3], различие инженерногеологических условий на протяжении трассы прокладки продуктопровода, существование зон высокой коррозионной агрессивности требуют надежной работы линейных инженерных сооружений.

Для предотвращения и снижения риска возникновения аварийных ситуаций, пагубно влияющих на окружающую среду, при проектировании, строительстве и эксплуатации продуктопроводов необходимо учитывать особенности строения горного массива, положения водоохранных зон, промышленных запасов подземных вод,

производить районирование и экологическую оценку территории прокладки линейных объектов, вести мониторинг за их состоянием [1, 4, 6, 7, 8, 9].

Задачи охраны окружающей среды при прокладке продуктопроводов успешно решаются в ходе инженерно-геологических изысканий, в состав которых входят геофизические исследования [2].

Г еофизические исследования имеют большое значение при оперативном получении информации о строении и физических свойствах массива горных пород, определении морфологических особенностей рельефа дна и т.д.

Использование геофизических методов становится особенно актуальным в сложных инженерно-геологических условиях акваторий из-за изменчивости геологического разреза, сложного рельефа местности, тяжелой климатической обстановки при проведении изысканий в межсезон-

© Татаркин А.В., Филимончиков А.А., 2013

28

ный период. Кроме того, увеличение объемов и темпов строительства линейных инженерных сооружений (продуктопро-водов, линий электропередач и т.д.) требует постоянной оптимизации процесса получения информации о строении исследуемого горного массива с целью прогнозирования неблагоприятных ситуаций и принятия верного проектного решения.

Одним из сложных вопросов является проведение изысканий на участках переходов продуктопроводов через водные преграды, где перед геофизиками стоят следующие задачи:

- выявление особенностей строения геологического разреза с последующей постановкой буровых работ;

- уточнение свойств и прослеживание литологических границ в межскважинном пространстве;

- изучение морфологии дна;

- локация продуктопровода в пространстве;

- определение характеристик, необходимых для проектирования электрохимической защиты.

Одним из ведущих геофизических направлений в инженерной геологии, обеспечивающих решение поставленных задач, является электроразведка [10, 11]. Современные тенденции выражаются в предпочтении использования метода ВЭЗ в варианте многократных наблюдений -электротомографии. Однако такая технология представляется более дорогой, трудоемкой, а иногда и невозможной, в сравнении с классическим исполнением метода ВЭЗ, который также несет достаточно необходимой информации о геологическом разрезе.

Как и в большинстве разведочных методов геофизики, разрешающая способность ВЭЗ уменьшается с ростом глубины исследования, получаемая информация все больше имеет интегральный характер. Одним из способов повышения разрешающей способности исследований на акваториях и решения вопросов, связанных с истолкованием свойств и строения придонных отложений, является исполь-

зование методики наблюдений со дна водоемов [5|.

Цель настоящей работы заключается в прогнозировании инженерно-геологических условий на участках переходов продуктопроводов через водные преграды по результатам применения наблюдений методом ВЭЗ со дна и с поверхности реки в зимний период.

Исследования проводились на р. Яйва Березниковского района Пермского края (рис. 1, 2). Ширина реки на участке исследования составляет 160 м.

Условные обозначения: ж\ ■ номер пикета ВЭЗ; [_.

- линия профил?

Рис. 1. Обзорная схема участка исследовании

Для проведения наблюдений использована четырехэлектродная установка Шлюмберже, которая располагалась параллельно линии уреза воды, величина разноса изменялась от 4 до 140 м, необходимая глубина исследования составляла 20-25 м от дна реки, расстояние между пикетами ВЭЗ - 30 м. Измерения со льда толщиной 15-20 см выполнялись «заземлением» электродов в лунки, а измерения со дна выполнялись погружением и заземлением электродов в придонных отложениях реки. Глубина дна изменялась до 8 м. Для минимизации искажений вследствие течения реки в качестве заземлите-лей были использованы утяжеленные электроды.

Рис. 2. Выполнение полевых работ при измерении со дна реки

Полевые материалы были обработаны с помощью программы «Зонд».

По результатам интерпретации была дана прогнозная оценка глубины и литологического состава коренных пород с определением местоположения бурения двух береговых скважин. Результаты бурения подтвердили предполагаемые оценки и выявили наличие коренных аргиллитов на глубине 15 м. Данная информация совместно со значениями мощности воды была использована в качестве априорной при комплексной количественной интерпретации поверхностных и донных наблюдений.

Расчет кривых кажущегося сопротивления (КС) донных наблюдений производился для условий полного пространства. Величина коэффициента установки в этом случае зависит от мощности слоя воды и рассчитывается по формуле:

где Кв - геометрический коэффициент донной установки, К - геометрический коэффициент поверхностной установки,

г - полуразнос установки, И - глубина погружения. При глубине воды в 7 раз меньше размеров установки, коэффициент донной установки практически равен коэффициенту такой же установки, расположенной на поверхности воды [5].

Пример сопоставления донных наблюдений с поверхностными приведен на рис. 3. Кривые, полученные с поверхности и со дна реки, имеют схожий характер. Обнаруживается расхождение левых ветвей кривых вследствие влияния льда на результаты поверхностных наблюдений. Ключевым моментом является дифференциальный характер кривой со дна, на которой отчетливы особенности разреза, связанные с вертикальной изменчивостью литологии придонных отложений (рис. 3, б).

Поскольку измерения со дна реки обладают большей вертикальной разрешающей способностью, выделение и привязка геоэлектрических горизонтов производились именно на основе этих данных. Процесс интерпретации проходил в два этапа.

На следующем этапе для постановки буровых работ в русловой части реки бы-

ла получена модель распределения удель- отображающая особенности геологиче-ных электрических сопротивлений среды, ского строения на участке перехода.

Условные обозначения:

і I -лед;

-вода;

-суглинок текучепластичный; т -песок водонасыщенный;

-гравийный грунт с песчаным заполнителем водонасыщенный; 1^77771 -гравийный грунт с суглинистым заполнителем;

-алевролит с прослоями песчаника;

-алевролит выветрелый, трещиноватый;

ГШЗ] -удельное электрическое сопротивление, Ом м;

6)

ъ' м Скв 127 ВЭЗ 6д Ог

ВЭЗ 6

АВ/2, м

Рис. 3« Схема выполнения зондирования - а): результаты интерпретации зондирований, выполненных вблизи скважины № 127 - б)

Характер УЭС также позволяет предполагать с глубины 15 м появление в разрезе коренных пород аргиллит-алевролитового состава.

По профилю отмечается ряд локальных аномалий:

- вблизи ПК4 на всем интервале глубин исследования наблюдается увеличение УЭС в 2 раза относительно фоновой составляющей (I);

- в районе ПК6 с глубины 25 м сопротивление примерно в 2,5 раза меньше фона (II);

- в интервале глубин 7-25 м на ПК 120 также отмечается аномалия низких сопротивлений (III).

Природа аномалий может быть обусловлена изменением свойств отложений или литологии.

Результаты бурения, выполненные в русле реки, подтвердили наличие выявленных особенностей в разрезе.

Далее при получении сведений о границах инженерно-геологических элементов были уточнены электрические свойства и осуществлено дополнительное бурение для подтверждения наличия песчаников на ПК4.

В итоге была получена окончательная инженерно-геологические элементы и их

геоэлектрическая модель перехода, в ко- особенности изменения физических

торой ниже описываются выделенные свойств (рис. 4).

Рис. 4. Результаты геолого-геофизических исследований: а) - геоэлектрический разрез с поверхности реки, б) - геоэлектрический разрез со дна реки, в) - геологический разрез по линии профиля

Донные отложения представлены серыми текучепластичными суглинками (ИГЭ-2р).

Суглинки имеют сопротивления 19-34 Ом-м и мощность 1-3 м. Толща суглинков подстилается песчано-гравийными отложениями (ИГЭ-5, 5р, 6, 6р), распространенными в интервале глубин 3-13 м. В связи с увеличением глинистого материала и обводненности песчано-гравийных отложений их сопротивление уменьшается со 100-150 Ом-м на берегах до 90-40 Ом-м в русловой части. Вблизи ПК5-8, в интервале глубин 10-16 м, разрез сло-

жен отложениями гравийного грунта с суглинистым заполнителем. Отложения характеризуются сопротивлением 27-28 Ом-м, в районе ПК8 (скв. 126) увеличиваются содержание глинистого материала и обводненность, что подтверждается уменьшением УЭС до 17 Ом-м.

Кровля коренных пород, представленных выветрелыми аргиллитами (ИГЭ-7), находится на глубине 14-16 м. Отложения, содержащие пропластки песчаника, имеют сопротивление 45-53 Ом-м. Аргиллит с меньшим содержанием песчано-

го материала характеризуется сопротивлением 20-14 Ом-м, вблизи ПК6 (интервал глубин 24-3 8 м) и ПК8 (интервал глубин 15-25 м) обладает минимальными значениями УЭС - 8-10 Ом-м.

Относительное повышение сопротивления с глубины 22-25 м (с 15-17 до 30-63 Ом-м) на ПК4, ПК8 подтверждается появлением линз песчаника (ИГЭ-8) в алевролитовой толще. Характер сопротивления указывает на степень выветре-лости и трещиноватости отложений.

На глубине около 30-35 м отмечается незначительное повышение сопротивления (до 30-40 Ом-м), связанное с толщей песчаника. Такое влияние ввиду большей

глубинности исследований проявляется на донных кривых, правая ветвь которых начинает расти.

По итогам выполненных работ был проведен сравнительный анализ независимой интерпретации геофизических данных и результатов бурения. Большая сходимость результатов отмечается при использовании измерений со дна реки. При этом погрешность выделения границ ИГЭ увеличивается с ростом глубины исследования. Примеры сравнения глубины подошв, выделенных ИГЭ, и погрешность их выделения по данным геофизики представлены в табл. 1 и 2.

Таблица 1. Сравнение глубин подошвы ИГЭ, выделенных по результатам бурения, и геофизи-ческих методов (на примере скважины 69а)_____________________________________________

<Т>

и

Я

Скв. 69а

Глубина кровли (подошвы), м

Г)

(-н

Я

л

Й 2 о

X

3

о

Вертикальное электрическое зондирование

Со льда

Глубина кровли (подошвы), м

л

н

и

о

X

3

о

Погрешность, %

Со дна

Глубина кровли (подошвы), м

л

н

и

о

X

3

о

Погреш

греш-

ность,

%

2р

0,3

2,3

1,9

166

2,6

2,7

2,6

1,0

3,4

6,7

12

6,4

1,7

5р

4,1

4,4

10,1

5,7

10,

6,9

6р

3,4

4,7

13,5

12,4

15,5

14,8

7р

22

32

21,6

45

26

10,5

18

Глубины кровли (подошвы) ИГЭ по данным ВЭЗ со дна приведены к поверхности льда

Учитывая большую разрешающую способность и глубинность исследований, рассмотренные донные измерения необходимы для повышения однозначности истолкования русловых отложений.

При проведении инженерно-геологических изысканий в сложных условиях акваторий, использованная методика наблюдений ВЭЗ на двух уровнях (со дна и с поверхности реки) позволяет с достаточной точностью получить информацию о физическом состоянии геологической

среды. Одним из дальнейших путей развития является применение программного обеспечения с трехмерным аппаратом интерпретации, которое позволит решать обратную задачу в автоматическом режиме с учетом особенностей расположения установок внутри среды. По мере накопления опыта, это может вдвое сократить затраты времени за счет отказа от измерений на поверхности водоемов и использования последних лишь для контроля.

Таблица 2. Сравнение глубин подошв ИГЭ, выделенных по результатам бурения и геофизиче-ских методов (на примере скважины 126)________________________________________________

№ ИГЭ Скв. 126 Мощность ИГЭ, м Вертикальное электрическое зондирование

Со льда Со дна

Глубина кровли (подошвы), м Глубина кровли (подошвы), м Мощ- ность, м Погрешность, % Глубина кровли (подошвы), м Мощ- ность, м Погреш-греш-ность,%

2р 7 3 7 ЗД - 7 2,9 -

10 10,1 1,0 9,9 1,0

5 1 6,3 3

11 - - - -

6р 2

13 - - 12,9 0,8

6 3 3,3

16 16,4 2,5 16,2 1,3

/р 8,8 16,1 8,3

24,8 32,5 31 24,5 1,0

Глубины кровли (подошвы) ИГЭ по данным ВЭЗ со дна приведены к поверхности льда

Выводы

1. Сходимость по глубине с базовым геологическим методом изменяется от единиц до первых десятков процентов. Измерения со дна реки обладают меньшей погрешностью определения границ ИГЭ. Однако для прогнозирования необходимо дополнять донные исследования наблюдениями с поверхности реки, что позволяет контролировать получаемую информацию и является одним из способов доопределения обратной задачи.

2. Области изменения удельного электрического сопротивления грунтов, выделенные в ходе геофизических исследований, подтверждаются результатами бурения: низкоомные аномалии обусловлены

Библиографический список

1. Галкин В.И., Середин В.В., Лейбович Л.О., Копылов И.С., Пушкарева М.В., Чиркова A.A. Оценка эффективности технологий очистки нефтезагрязненных грунтов. // Защита окружающей среды в нефтегазовом комплексе. 2012. № 6. С.4-7.

2. Колесников В.П. Татаркин A.B. Применение методов электрометрии для выявления закарстованных участков при решении инженерно-геологических задач // Кунгурская Ледяная пещера. 300 лет научной и туристической деятельности: ма-

увеличением глинистости и влажности горных пород, высокоомные - увеличением содержания песчаного материала. В связи с этим при составлении программы изысканий необходимо учитывать дополнительный объем бурения для заверки аномальных значений геофизических параметров.

Ключевым моментом в успехе инже-нерно-геологических изысканий является их стадийность, оправдывающая проведение геофизических исследований на стадии, предшествующей постановке буровых работ. Опережение буровых работ служит одним из путей оптимизации процесса изысканий.

териалы междунар. науч.-практ. конф. / ГИУрО РАН. Кунгур, 2003. С. 329-333.

3. Костицын В.И. О стратегии развития топливно-энергетического комплекса России на современном этапе // Геология и полезные ископаемые Западного Урала Перм. гос. нац. исслед. ун-т. Пермь, 2013. С.73-77.

4. Лейбович Л.О., Середин В.В., Пушкарева М.В., Чиркова А.А., Копылов И.С. Экологическая оценка территорий месторождений углеводородного сырья для определения возможности размещения объектов нефтедобычи // Защита окружающей сре-

ды в нефтегазовом комплексе. 2012. № 12. С.13-16.

5. Огилъви A.A. Основы инженерной геофизики. М.: Недра, 1990.

6. Пушкарееа М.В., Май И.В., Середин В.В., Лейбович Л.О., Чиркова A.A., Вековшини-на С.А. Экологическая оценка среды обитания и состояния здоровья населения на территориях нефтедобычи Пермского края // Защита окружающей среды в нефтегазовом комплексе. 2013. № 2. С. 40-45.

7. Пушкарееа М.В., Середин В.В., Лейбович Л.О., Чиркова A.A., Бахарев А.О. Инже-нерно-экологическая оценка территории запасов подземных вод в связи с разработкой нефтяных месторождений. // Там же. 2013. №2. С. 9-13.

8. Середин В.В., Лейбович Л.О., Пушкарееа М.В., КопыловИ.С., Хрулев A.C. К вопросу о формировании морфологии поверхности

трещины разрушения горных пород // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. 2013. № 3. С. 85-90.

9. Середин В.В., Пушкарееа М.В., Лейбович Л.О., Бахарева Н.С. Методика инженерногеологического районирования на основе балльной оценки классификационного признака. // Инженерная геология. 2011. №3. С. 20-25.

10. Татаркин A.B. Компьютерные технологии при решении инженерно-геологических, экологических и гидрогеологических задач: матер. VII научно-технической конференции «Информационные технологии в проектировании». Тюмень, 2007.

11. Татаркин A.B., Пригара A.M. Инженерногеофизические исследования в неблагоприятных климатических условиях // Инженерные изыскания. 2012.

Forecast of Geotechnical Conditions in the Areas of Product Lines’ Transitions through Water Barriers

A.V. Tatarkin, A.A. Philimonchikov

Scientific, Research, Design and Production Enterprise for Nature Protection Activity, Ltd, «Nedra». 614064, Perm, L. Shatrov st., 13a. E-mail: ne-dra@nedra. perm, ru

The authors consider the usage experience of the electrical exploration surveys by the engineering geological researches in the water areas in the winter. They highlight the importance of two-level observations - on the surface and on the bottom of the water, - to increase the information content. The authors give the example of successful use of geophysical surveys in the different stages of engineering geological researches. They suggest ways of development in the interpretation of water area measurements. Key words: product lines, environmental control, geophysical research of water area, vertical electrical sounding, forecast of geotechnical conditions.

Рецензент - кандидат технических наук A.M. Пригара