Маркшейдерский контроль состояния недр в условиях нефтегазодобычи

Одним из требований по обеспечению безопасного ведения, связанных с пользованием недрами и определенных ст. 24 Закона Российской Федерации «О недрах», является проведение комплекса геологических, маркшейдерских и иных наблюдений, достаточных для обеспечения нормального технологического цикла работ и прогнозирования опасных ситуаций, своевременное определение и нанесение на планы горных работ опасных зон.

Маркшейдерские наблюдения традиционно предусматривают расчет вероятных деформаций земной поверхности [1, 2, 3 и др.], как правило, на основе математического моделирования или с привлечением экспериментальных данных; сравнение полученных значений с допустимыми и предельными деформациями земной поверхности в пятне застройки, установленными для тех или иных объектов; при необходимости, участие в подготовке мер охраны; уточнение мер охраны конкретных объектов в составе годовых программ работ; проведение инструментальных наблюдений в рамках реализации мер охраны. На основании результатов наблюдений подготавливается прогноз развития деформаций земной поверхности в зависимости от горно-геологических условий. По результатам маркшейдерских наблюдений корректируются принятые геомеханические модели (повышение надежности прогноза на основе математического моделирования); уточняются параметры и закономерности процесса сдвижения; выделяются участки интенсивных смещений земной поверхности; проводится интерпретация получаемых данных с позиции контроля эффективности разработки и пр.

 

Известно использование результатов инструментальных геодезических измерений при уточнении фильтрационно-емкостных свойств пород коллекторов, при анализе параметров разработки, при реализации системы поддержания пластового давления, при заводнении пластов и пр. [4, 5 и др.].

В настоящей работе рассмотрим предусмотренные действующим законодательством о недрах иные наблюдения, а именно  геодинамические - в части маркшейдерского контроля, предусмотренные Инструкцией по производству маркшейдерских работ (РД 07-603-03), устанавливающей технические требования к маркшейдерским работам, и Положением о геологическом и маркшейдерском обеспечении промышленной безопасности и охраны недр (РД 07-408-01).

Задачами наблюдений на геодинамических полигонах, согласно п.264 РД 07-603-03, являются:

 - изучение закономерностей изменений гравитационного и магнитного полей при нарушении динамического равновесия горного массива;

 - изучение геологического строения месторождений и физики пласта, изучение текущих параметров разработки месторождений;

- изучение напряженно-деформированного состояния скелета коллектора и вмещающих его пород и всей толщи горного массива над залежью в неравнокомпонентном поле сжимающих напряжений;

- гидрогеологические и геокриологические исследования.

Очевидно, что задачи геодинамических полигонов на разрабатываемых месторождениях углеводородного сырья принципиально отличаются от задач традиционных геодинамических полигонов, активно закладываемых в середине прошлого века на различных участках территории страны в первую очередь для задач сейсмического контроля и прогноза и предусматривающих в начале своего развития геодезические измерения по профильным линиям. На таких полигонах, предполагающих изучение современных движения земной коры (СДЗК) и решение других научных задач, геодезические работы  выполнялись и выполняются, как правило, на небольших площадях, что обусловлено высокой частотой опроса сетей.

Понятно, что обеспечить решение перечисленных длительных задач возможно только комплексом методов наблюдений, который, методически, закреплен в [6]. Так, многофункциональный геодинамический контроль природных и техногенных процессов и явлений в зонах риска предусматривает несколько взаимосвя­занных блоков, каждый из которых объединяет совокупность базовых методов и видов наблюдений: блок геодезического контроля; блок геофизического контроля; блок гидрогеологического и геохимического контроля; блок сейсмологического контроля; блок инженерно-геологического контроля; блок промыслово-геологического контроля.

Одной из основных идей организации таких наблюдений является прогноз развития природных и техногенных процессов на горном отводе с позиции устойчивого развития территорий. Такой прогноз возможен на основе системного подхода комплексного анализа результатов наблюдений, предусматривающего тесное сотрудничество различных специалистов.

Таким образом, производство перечисленных (визуальных инструментальных наземных, дистанционных) наблюдений силами только производственной маркшейдерской службы по отмеченным причинам  возможным не видится.

Имеющаяся методическая база в области организации наблюдений на геодинамических полигонах на объектах ТЭК [7, 8, 9 и др.] в связи с развитием техники и технологий постепенно морально устаревает. Не предложены рекомендации и указания по реализации требований пп.262-267 РД 07-603-03, не регламентированы требования к точности производства измерений. Все это предопределяет неоднозначность по исполнению недропользователем требований действующего законодательства о недрах по рассматриваемому вопросу, неблагоприятно отражается на устойчивости деятельности маркшейдерских служб нефтегазодобывающих организаций в условиях осуществляемой нефтегазодобывающими организациями оптимизации бизнес-процессов.

Известно, что для геодинамических исследований (геодинамические исследования на базе геодезических и космических измерений в соответствии с федеральным законодательством в области геодезии и картографии отнесены к геодезическим работам – прим. автора) сегодня создается система мониторинга процессов деформаций земной поверхности, прогноза землетрясений и природных катастрофических явлений на основе спутниковых методов и технологий позиционирования [10]. Согласно [10], до 2020 г. должна быть разработана и реализована стратегия создания единой системы геодинамического мониторинга на территориях сопредельных с Российской Федерацией государств в целях обеспечения гражданской безопасности.

РД 07-603-03 для решения поставленных задач предусматривает заложение профильных линий реперов (геодезические измерения), которые практически всеми организациями, осуществляющими проектирование таких линий, предлагается закреплять вдоль и поперек подрабатываемой территории. Суммарная длина таких линий для среднего месторождения углеводородного сырья составляет несколько десятков километров.

Регламентированные расстояния между реперами 100÷500 метров в принципе не могут быть направлены на решение задач контроля надежности эксплуатации объектов, расположенных на поверхности, для которых допустимые и предельные значения получены к условиям измерений, где  расстояния между съемочными точками составляют 15-20 м.

Разнообразные климатические условия, присущие месторождениям углеводородного сырья, не всегда позволяют выполнить за один полевой сезон нивелирование по профильным линиям. Имело место, когда измерения ограничивались участками профильной линии, последующие наблюдения по этой линии производились через сезоны, что не позволяло качественно уравнять сеть, сделать вывод о надежности полученных значений оседания земной поверхности. При реализации высокоточного нивелирования на площадях разрабатываемых месторождений не учитывается изменение уровня грунтовых вод, тогда как эти колебания влияют на смену приращения силы тяжести.

Профильные линии (геодинамические полигоны в интерпретации РД 07-603-03 – прим. автора) не всегда привязываются к созданным для мониторинга земной поверхности в России региональным геодинамическим сетям, международной геодинамической сети ITRF. В работах известных ученых в области маркшейдерского обеспечения нефтегазодобычи А.С.Мазницкого и Э.Г.Геровича авторы постоянно возвращаются к вопросу дискретности характера получаемой информации традиционными геодезическими измерениями на площадях разрабатываемых месторождений углеводородного сырья.

Перечисленные и другие факторы, например, необходимость дальнейшего интерполирования, снижают надежность получаемых результатов измерений, необходимых для объективного и, в большинстве случаев, оперативного прогноза наступления тех или иных событий. 

Как известно, основой объективной оценки наступления событий на той или иной территории горного отвода служат получаемые в конкретном районе экспериментальные данные и фиксируемые явления или осторожное использование метода аналогии.

Процесс сдвижения горных пород и земной поверхности – это перемещение и деформирование горных пород и земной поверхности в результате нарушения естественного равновесия пород под влиянием отбора флюида. Обусловленные сдвижением геомеханические процессы являются дополнительным риском в способности (-ов) сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения [11]. В случае разработки месторождений углеводородного сырья – изменение фильтрационно-емкостных свойств (ФЕС) коллекторов, срез и деформирование скважин, грифонообразование, активизация гидрогеологических и геокриологических процессов, коррозийных процессов, динамических проявлений, нарушение устойчивости геодезической основы, объектов поверхности и пр.

На сегодняшний день нормативно закрепленных рекомендаций или указаний по методикам оценок деформаций земной поверхности и горных пород в условиях нефтегазодобычи1 не существует, что создает определенный хаос на рынке проектных услуг в рассматриваемой области. При этом, величины расчетных деформаций являются основой необходимости организации наблюдений и составной частью предусмотренного нормативными требованиями горно-геологического обоснования (ГГО).

Стоит особо подчеркнуть, что проектирование структуры наблюдательной станции на значительных площадях, предполагающее обоснование плотности пунктов наблюдений, точность и частоту их опроса, без понимания общей картины поведения земной поверхности, обусловленного процессом сдвижения или неотектоническими смещениями, практического смысла не имеет.

Таким образом, основой для принятия решения о создании системы наблюдений и выполнении инструментальных наблюдений являются прогнозные расчеты деформаций земной поверхности и анализ имеющейся информации о развитии современных геодинамических процессов в районе производства работ [12, 13, 14 и др.].

К настоящему времени накоплен достаточный опыт геодезических измерений смещений земной поверхности при разработке месторождений углеводородного сырья. Этот опыт показывает, что разработка месторождений углеводородного сырья Западной Сибири, Урала, Поволжья сопровождается оседаниями земной поверхности с величинами, как правило, не превышающими 200-300 мм. Возникающие при этом величины деформаций (наклоны, кривизна, горизонтальные деформации) на порядок ниже допустимых, и, тем более, предельных деформаций для расположенных на поверхности сооружений и объектов. Вследствие естественной неоднородности породных массивов имеют место локальные концентрации деформаций вблизи зон тектонических нарушений, на границах структурных блоков и т.д. Однако опыт выполнения инструментальных наблюдений на месторождениях нефти и газа показывает, деформации поверхности на контактах разломных структур не превысят допустимых и предельных деформаций. Например, при ширине разломной структуры в 0,5 км для достижения деформации 2 мм/м требуется, чтобы ее борта разошлись на 1,0 м, что не подтверждается практикой.

Таким образом, современные реалии российской добычи углеводородного сырья не подтверждают состоятельность выделенных [6] опасных проявлений геодеформационных процессов на земной поверхности.

Нормы имеющихся правил охраны сооружений от вредного влияния горных разработок, в основном, удовлетворяют практическим целям в условиях разработки углеводородного сырья и разработка отдельных такого рода правил не требуется. Для сравнения возможных величин деформаций земной поверхности в пятне застройки с допустимыми и предельными значениями для объектов застройки пользуются данными, указанными в [1, 15].

Сравнивая величины расчетных и допустимых (предельных) деформаций, принимается решение по объекту поверхности (текущий наладочный ремонт, перенос объекта, разработка мер охраны объекта, геодезический контроль деформаций здания и т.п.). Соответствующие решения принимаются на основании экономического обоснования.

Например, оценочные расчеты показателя допустимых деформаций, рассчитанные по методике [15] для типового одноэтажного кирпичного здания с ленточным фундаментом и деревянными перекрытиями со степенью износа 0,8, построенного на многолетнемерзлых грунтах, составит 75 ед. ([DL_доп]_норм=110, n₁=0.8, n₂=1,0, n₃=0.85, n₄=1,0, n₅=1,0). Оценочные расчеты показателя суммарных деформаций, рассчитанные на основании приведенных выше прогнозных оседаний поверхности составят менее 5,0 ед. Таким образом, прогнозные допустимые деформации земной поверхности для одно-двухэтажных гражданских зданий более чем в 10 раз ниже допустимых.

В табл.1 представлены допустимые и предельные горизонтальные деформации земной поверхности для гражданских зданий. При этажности зданий 1-3 этажа, их длине в плане до 30 м, допустимые деформации составят 3,5 мм/м, предельные деформации 5,5 мм/м. Расчетные максимальные горизонтальныедеформации земной поверхности составят 0,15 мм/м, т.е. также более чем в 30 раз меньше допустимых. Вышеизложенное свидетельствует об отсутствии необходимости проектирования мер охраны объектов и организации инструментальных наблюдений.

Становится очевидным принципиальное отличие задач маркшейдерских наблюдений за состоянием горных отводов разрабатываемых месторождений углеводородного сырья. Они направлены на обеспечение эффективности отработки запасов полезных ископаемых и анализа состояния промышленной безопасности территории в части вопросов маркшейдерского контроля с последующим выполнением работ, направленных на предупреждение аварий. В условиях подземной разработки месторождений твердых полезных ископаемых, на первом плане стоят вопросы безопасного ведения работ, связанных с пользованием недрами: определение различных опасных зон, включая зоны повышенного горного давления, контроль  целиков различного назначения, выполнение мероприятий по охране зданий, сооружений и т.п.

 

Таблица 1

Допустимые и предельные деформации земной поверхности и горных пород для охраняемых
гражданских зданий [15]

 

Широкий спектр возможностей для оперативного решения маркшейдерских задач открывает радарная космическая съемка подрабатываемых территорий. Известен опыт ее применения, валидация для условий подземной и открытой разработки месторождений твердых полезных ископаемых, разработки месторождений подземных вод [16, 17, 18]. Ее использование позволяет оптимизировать объем и временную частоту традиционных (инструментальных) геодезических методов измерений за смещениями, получить и интерпретировать принципиально новую информацию о смещениях и в целом повысить информативность и оперативность обеспечения данными для решения маркшейдерских задач при нефтегазодобыче, включая предусмотренные РД 07-408-01  вопросы контроля эффективности разработки. Результаты исследований по таким вопросам на основе данных динамики смещений земной поверхности, полученных с использованием разработанной и запатентованной при участии автора технологии площадной съемки подрабатываемых территорий, сегодня проходят апробацию на практике. 

Возможность использования радарной интерферометрии (площадной съемки подрабатываемой территории – прим. автора) с позиции ее прикладного характера можно показать на следующем примере.

Современные тектонические движения земной коры отражают кинематическую составляющую современных геодинамических процессов (несколько десятков лет), т.е. механические перемещения блоков массива. Равномерные (со скоростями порядка нескольких миллиметров) движения блоков на платформенных, крупноблоковых, нераздробленных территориях не опасны для устойчивости сооружений.

Текущие (происходящие в настоящее время) геодинамические процессы отражают изменение силового, напряженного состояния, которое далеко не всегда релаксирует в кинематические формы. Кроме этого, мировой опыт показывает, что геодинамика связывается, прежде всего, с взаимным горизонтальным смещением блоков относительно друг друга, активизацией разломов [19]. При этом высотные отметки, определяемые сегодня, как правило,  нивелированием II класса, могут практически не изменяться [20, 21].

Естественно, что различные свойства и возраст этих парагенетически связанных процессов приводят к различной связи их с геологическими процессами и совершенно по-разному отражаются на устойчивости инженерных объектов.

Прикладной характер исследований современной геодинамики в условиях разработки месторождений углеводородного сырья выражен, в том числе,  в геодинамическом районировании месторождений на основе изучения естественного поля напряжений блоков. Результаты этого районирования ложатся в основу эффективного заложения скважин. По мнению автора, использование карт фактических смещений земной поверхности, полученных с использованием технологии радарной интерферометрии, существенно облегчит работу при составлении карты районирования по рассматриваемому признаку.

В заключении,  с учетом вышеизложенного, отметим следующее.

Решение проблемы маркшейдерских наблюдений на разрабатываемых месторождениях нефти и газа с учетом нормативных требований предполагает:

1. Разработку ГГО, включающего перечень подрабатываемых объектов и предусматривающего аналитическую оценку деформаций земной поверхности (кривизна, наклоны, сжатие, растяжение) в пятнах застройки по устоявшимся методикам, оценку возникновения и влияния техногенных сейсмических событий. На основе анализа имеющихся данных и визуальных исследований определяются участки территорий горных отводов, где следует организовать маркшейдерско-геодезические наблюдения.

2. Аналитическую оценку влияния геомеханических и геодинамических процессов на состояние скважин при их строительстве и эксплуатации, оценку влияния уплотнения коллекторов на снижение фильтрационно-емкостных свойств и продуктивность скважин.

3. Обратный расчет тех или иных показателей по результатам инструментальных наблюдений за подрабатываемой территорией, чем обеспечивается предусмотренное п.264 РД 07-603-03 изучение НДС пласта коллектора и породного массива в целом.

4. Маркшейдерскую интерпретацию данных показателей разработки, смещений земной поверхности, активизации разломных структур и пр. с выдачей рекомендаций и предложений производственным службам.

5. Анализ состояния промышленной безопасности в части маркшейдерского контроля.

Инструментальное сопровождение указанной проблемы, с учетом зарубежного опыта, можно разделить на три этапа (по периоду времени): до 2000 г. – высокоточное нивелирование по профильным линиям; 2000-2010 гг. – технологии ГЛОНАСС/GPS измерений; с 2010 г. – дополнение ГЛОНАС/GPS измерений площадной космической радарной съемкой.

При этом за традиционными инструментальными геодезическими измерениями (с позиции реализации маркшейдером мероприятий, предотвращающих или снижающих до безопасных пределов влияние горных работ на состояние инженерных сооружений и иных объектов) закрепляется их проведение на локальных участках горного отвода в комплексе с иными методами наблюдений (как правило, визуальными и геофизическими), что обуславливается необходимой частотой измерений и значениями деформаций земной поверхности в пятне застройки.

 

Литература

1. СНиП 2.01.09.-91 Здания и сооружения на подрабатываемых территориях и просадочных грунтах.

2. ПБ 07-601-03 Правила охраны недр.

3. РД 07-113-96 Инструкция о порядке утверждения мер охраны зданий, сооружений и природных объектов от вредного влияния горных разработок.

4. Мазницкий А.С. Геодезический мониторинг и прогнозирование техногенной геодинамики на месторождениях нефти и газа: автореф. дис. … док. техн. наук: 05.24.01. – Киев, 2002.

5. Умрихин И.Д., Днепровская Н.И., Ентов В.М., Куренков О.В., Бузинов С.Н., Малахова Т.А., Либерман Г.И. Определение параметров пластов по данным наблюдений за смещением поверхности земли // Нефтяное хозяйство. - №10.- 1981.

6. Руководство по геодинамическим наблюдениям и исследованиям для объектов топливно-энергетического комплекса. – М.: Гидропроект, 1997 – 121с.

7. Временные указания по выявлению и контролю зон риска возникновения аварий и чрезвычайных ситуаций при освоении недр  и земной поверхности на основе результатов геодинамического районирования. – СПб.:ВНИМИ, 1997. – 12с.

8. Концепция «Геодинамическая безопасность освоения углеводородного потенциала недр России». – М.: ИГиРГИ, 2000. - 56с.

9. Система обеспечения геодинамической и экологической безопасности при проектировании и эксплуатации объектов ТЭК. – СПб.:ВНИМИ, 2001.-86с.

10. Концепция развития отрасли геодезии и картографии до 2020 года, утверждена распоряжением Правительства РФ от 17.12.2010 N 2378-р.

11. ГОСТ 27.002-89. Надежность в технике. Основные понятия. Термины и определения

12. Charlez F. Р. Rock Mechanics. Volume 1, 2.  Petroleum applications. Teditions Technip. 27 rue Ginoux  75737 Paris cedex 15. 1997.

13. Кашников Ю.А., Ашихмин С.Г. Механика горных пород при разработке месторождений углеводородного сырья. М.: ООО «Недра-Бизнесцентр». – 2007г. – 467с.

14. Никифоров С.Э., Попов В.Н. Маркшейдерский контроль за развитием деформаций земной поверхности при разработке месторождений углеводородного сырья//Маркшейдерия и недропользование. - №4. – 2010.

15. Правила охраны сооружений и природных объектов от вредного влияния подземных горных разработок на угольных месторождениях. - С.-Петербург: Изд.ВНИМИ, 1998г.-291с.

16. Буш В., Хебель Х.-П., Шафер М., Вальтер Д, Барях А.А. Контроль оседания подработанных территорий методами радарной интерферометрии//Маркшейдерия и недропользование. - №2. – 2009.

17. Land Subsidence pattern controlled by old alpine basement faults in the Kashmar Valley, northeast Iran: results from InSAR and leveling / J. Anderssohn, H.-U. Wetzel, T.R. Walter and others / Geophys. J. Int, 174, 2008, p. 287-294.

18. Busch W., Schafer M., Walter D. Monitoring vertical ground movement in the environment of an open pit mining area by satellite based Radar Interferometry//Proceedings International Society for Mine Surveying, XIII International Congress, Budapest, Hungary, 24-28 September 2007.

19. Хаин В.Е. Современная геодинамика: достижения и проблемы. (http://vivovoco.rsl.ru/VV/JOURNAL/ NATURE/01_02/GEODYN.htm, 2002).

20. Грассо Ж.Р., Волан Ф., Фурментро Д., Мори В. Связь между извлечением углеводородов, локальными техногенными землетрясениями и крупными региональными землетрясениями на примере Пиренеского района/в кн. Механика горных пород применительно к проблемам разведки и добычи нефти. - М.:Мир, 1994. – 416с.

21. Николаевский В.Н. Геомеханика и флюидодинамика. -  М.: Недра, 1996. – 447с.

 

---