СПОСОБ ИДЕНТИФИКАЦИИ ЗОН ГЕОДИНАМИЧЕСКОЙ ОПАСНОСТИ СООРУЖЕНИЙ Российский патент 2012 года по МПК G01V9/00 

Изобретение относится к области строительства и эксплуатации подземных и наземных сооружений и может быть использовано для изучения строения и современной геодинамики земной коры и осуществления прогноза степени активизации деформационных процессов, что очень важно при оценке геодинамической опасности объектов, используемых при поиске, разведке и эксплуатации месторождений полезных ископаемых, например нефтегазовых.

Известен способ идентификации зон потенциальной геодинамической опасности, в частности способ обнаружения активного тектонического нарушения, при котором по профилю, в направлении, пересекающем предполагаемое тектоническое нарушение, устанавливают измерительные приборы, регистрируют лунно-солнечные приливные вариации, регистрируют приливную деформацию, среднюю на базе прибора, с точностью не ниже 5·10^-9. Регистрируют лунно-солнечную волну, представляющую суперпозицию гармоник с периодами, близкими к 12 и 24 ч. Методами гармонического анализа выделяют главные волны прилива, базируясь на серии непрерывных во времени наблюдений длительностью один месяц. Сравнивают их амплитуды с нормальными для данного пункта назначения. Идентификацию зон потенциальной аварийности, именно ослабленных участков земной коры, разбитых трещинами и, следовательно, находящихся на стадии активного тектонического развития, определяют по значительному превосходству экспериментально определенных для данного пункта величин прилива над их нормальными значениями (Авторское свидетельство №598002 А, 15.03.1978).

Недостатком известного способа является низкая точность определения зон геодинамической опасности и трудоемкость данного способа, поскольку для регистрации лунно-солнечной приливной деформации необходимо строительство специальных подземных обсерваторий.

Известен другой способ идентификации зон геодинамической опасности, при котором проводят повторное высокоточное нивелирование на разведанном участке с выявленной аномальной зоной, съемку геофизических полей на реперах линий повторного нивелирования, составляют схемы современных вертикальных смещений земной коры в изолиниях и схемы соотношений аномальных вертикальных смещений земной коры с геофизическими полями, вырабатывают эталон соотношений между амплитудами скоростей современных вертикальных смещений земной коры и геофизическими полями, которыми пользуются для прогнозирования зон геодинамической опасности (Авторское свидетельство №221955 А, 17.07.1968).

Недостатком данного способа является трудоемкость и многолетний срок наблюдений, необходимый для получения надежных данных о тектонических смещениях и идентификации зон геодинамической опасности, а также отсутствие количественных критериев опасности, снижающих достижение эффективного технического результата.

Наиболее близким к данному изобретению является способ идентификации зон потенциальной аварийности сооружений, при котором производят подземные и/или космические повторные геодезические наблюдения за вертикальными смещениями земной поверхности в наблюдательных пунктах, расстояние между которыми не превышает 250 м, с интервалом между повторными наблюдениями не реже двух раз в год, измеряют современные вертикальные смещения с погрешностью не более 5 мм на 1 км и определяют зоны геодинамической опасности, как зоны потенциальной аварийности сооружений по аномальным вертикальным смещениям на земной поверхности и сравнению их с предельно допустимыми, которые регламентированы существующими допусками (Патент на изобретение №2206908, 22.05.2002).

Недостатком известного способа является низкая точность прогнозирования зон геодинамической опасности для подземных сооружений, а также отсутствие количественной оценки геодинамической опасности по критерию опасных относительных деформаций, регламентированных нормативными документами для обеспечения безопасного функционирования сооружений, что приводит к снижению надежности строительства и эксплуатации сооружений.

Техническим результатом данного изобретения является повышение надежности строительства и эксплуатации сооружений.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе идентификации зон геодинамической опасности сооружений, при котором проводят наземные и/или спутниковые повторные геодезические измерения земной поверхности в наблюдательных пунктах, расстояние между которыми не превосходит 100 м, с интервалом между повторными наблюдениями не реже двух раз в год, одновременно измеряют современные вертикальные и горизонтальные смещения с погрешностями (m) не более 5 мм на 1 км, определяют амплитуду вертикальных Δh и горизонтальных ΔL аномальных смещений земной поверхности в мм и в случае Δh>m и ΔL>m определяют величину относительных вертикальных деформаций по формуле: относительных горизонтальных деформаций по формуле: определяют среднегодовую скорость относительных вертикальных деформаций по формуле:

среднегодовую скорость относительных горизонтальных деформаций

по формуле: и в случае

делают вывод о геодинамической опасности сооружения, расположенного на этом участке земной поверхности, а для подземных сооружений их геодинамическую опасность оценивают по формуле:

Δh - вертикальное смещение земной поверхности, мм;

ΔL - горизонтальное смещение земной поверхности, мм;

m - среднеквадратическая погрешность измерений, мм/км;

L - ширина зоны аномальных смещений, мм;

Δt - интервал времени между повторными измерениями, год;

ε_oп - величина опасных деформаций, регламентированная нормативными документами, равная величине 10^-3 единиц относительных деформаций;

Т - проектная длительность (обычно 100 лет) эксплуатации сооружения, год;

- функция Грина для смещения в полупространстве;

- внутренние координаты источника геодинамической опасности;

Ф - характеристика деформативности горных пород, МПа.

Сущность изобретения поясняется рисунками.

Фиг.1 - Результаты синхронных измерений вертикальных и горизонтальных смещений земной поверхности (Сосновское месторождение нефти).

Фиг.2 - Распределение аномальных деформаций земной поверхности на Нефтеюганском геодинамическом полигоне, зоны геодинамической опасности и местоположение аварий на скважинах (1) и промысловых трубопроводах (2).

На фиг.1 представлены диаграммы распределения амплитуд Δh и ΔL аномальных вертикальных и горизонтальных смещений земной поверхности, которые получены в результате повторных геодезических (нивелирных и светодальномерных) наблюдений вдоль одного из профилей в пределах Сосновского нефтяного месторождения за различные промежутки времени. В верхней части рисунка показана схема расположения измерительных пунктов, снабженная индивидуальными номерами. В средней части представлены результаты измерений вертикальных и горизонтальных смещений земной поверхности, совмещенные с геологическим разрезом вдоль выбранного профиля (нижняя часть рисунка). Знаки «+» и «-» означают фазы сжатия земной поверхности в периоды 1978-1979 гг. и 1982-1984 гг. и растяжения в период 1979 гг. соответственно.

В соответствии с рассматриваемым способом идентификации зон потенциальной аварийности вдоль одного из профилей в пределах Сосновского нефтяного месторождения производились повторные одновременные геодезические наблюдения за вертикальными и горизонтальными смещениями земной поверхности в наблюдательных пунктах, расстояние между которыми равно 100 м. При этом наблюдения проводились не реже двух раз в год, в течение указанных периодов времени.

На представленном профиле были измерены амплитуды вертикальных и горизонтальных смещений земной поверхности с погрешностью, равной 5 мм на расстоянии 1 км, определены относительные вертикальные и горизонтальные деформации, а также их скорости. Как видно, в период, когда происходит горизонтальное растяжение с амплитудой ΔL=53 мм, зафиксированное светодальномерными измерениями, по данным нивелирования отмечаются две узкие локальные просадки земной поверхности с амплитудами Δh=20 мм и Δh=36 мм. По результатам измеренных параметров в соответствии с приведенными выше формулами определяли амплитуду Δh и ΔL аномальных вертикальных и горизонтальных смещений земной поверхности вдоль одного из профилей в пределах Сосновского нефтяного месторождения, а также были определены среднегодовые скорости относительных вертикальных и горизонтальных деформаций ε_в и ε_г за указанный период наблюдения (фиг.1).

Из представленных на фиг.1 диаграмм видно, что аномальные вертикальные и горизонтальные смещения земной поверхности имеют амплитуды более чем 30 мм и сосредоточены на участке земной поверхности, содержащем разломную зону. Скорости относительных вертикальных и горизонтальных деформаций оказались равными 5·10^-5 и 3.5·10^-5 соответственно, что полностью соответствует критерию геодинамической опасности для сооружений, расположенных и/или проектируемых в пределах данного участка земной поверхности.

Для определения геодинамической опасности подземных сооружений определяют распределение аномальных вертикальных и горизонтальных смещений по глубине и, применяя указанный выше критерий, когда u_r>ε_oп·L, определяют зону геодинамической опасности подземного сооружения. Эти зоны показаны в виде серых областей, оконтуренных пунктирной линией.

Для практической иллюстрации способа на Нефтеюганском геодинамическом полигоне, организованном в пределах разрабатываемого нефтяного месторождения были поставлены специальные работы по идентификации зон геодинамической опасности объектов - инфраструктуры месторождения: промысловых трубопроводных систем (наземные сооружения) и добывающих скважин (подземные сооружения).

По результатам измерений были выявлены аномальные деформации земной поверхности, которые были подвергнуты анализу по приведенным выше формулам.

Как видно из фиг.2, идентифицированные указанным способом зоны (черные участки) геодинамической опасности практически полностью соответствуют местоположению областей аварийности скважин (1) и трубопроводных систем (2), что подтверждает эффективность предлагаемого способа.

Изобретение относится к области строительства и эксплуатации подземных и наземных сооружений и может быть использовано для изучения строения и современной геодинамики земной коры и осуществления прогноза степени активизации деформационных процессов, что очень важно при оценке геодинамической опасности объектов, используемых при поиске, разведке и эксплуатации месторождений полезных ископаемых, например нефтегазовых. Техническим результатом данного изобретения является повышение надежности строительства и эксплуатации сооружений. Указанный технический результат достигается тем, что в способе идентификации зон геодинамической опасности сооружений, при котором проводят наземные и/или спутниковые повторные геодезические измерения земной поверхности в наблюдательных пунктах, одновременно измеряют современные вертикальные и горизонтальные смещения с погрешностями (m) не более 5 мм на 1 км, определяют амплитуду вертикальных Δh и горизонтальных ΔL аномальных смещений земной поверхности в мм и в случае Δh>m и ΔL>m определяют величину относительных вертикальных деформаций, относительных горизонтальных деформаций, определяют среднегодовую скорость относительных вертикальных деформаций, среднегодовую скорость относительных горизонтальных деформаций и в случае делают вывод о геодинамической опасности сооружения, расположенного на этом участке земной поверхности, а для подземных сооружений их геодинамическую опасность оценивают из условия: U_r>ε_on·L. 2 ил.

Способ оценки геодинамической опасности сооружений, при котором проводят наземные и/или спутниковые повторные геодезические измерения земной поверхности в наблюдательных пунктах, расстояние между которыми не превосходит 100 м, с интервалом между повторными наблюдениями не реже двух раз в год, одновременно измеряют современные вертикальные и горизонтальные смещения с погрешностями не более 5 мм на 1 км, определяют амплитуду вертикальных Δh и горизонтальных ΔL аномальных смещений земной поверхности, в мм, и в случае Δh>m и ΔL>m определяют величину относительных вертикальных деформаций по формуле: относительных горизонтальных деформаций по формуле: определяют среднегодовую скорость относительных вертикальных деформаций по формуле:
среднегодовую скорость относительных горизонтальных деформаций по формуле:
и в случае делают вывод о геодинамической опасности
сооружения, расположенного на этом участке земной поверхности, а для подземных сооружений их геодинамическую опасность оценивают по формуле:

Δh - вертикальное смещение земной поверхности, мм;
ΔL - горизонтальное смещение земной поверхности, мм;
L - ширина зоны аномальных смещений, мм;
Δt - интервал времени между повторными измерениями, год;
ε_оп - величина опасных деформаций, регламентированная нормативными
документами;
Т - проектная длительность эксплуатации сооружения, год;
- функция Грина для смещения в полупространстве;
ξ₁,ξ₂,ξ₃ - внутренние координаты источника геодинамической опасности;
Ф - характеристика деформативности горных пород, МПа,
m - среднеквадратическая погрешность геодезических измерений, мм/км.