Московский экономический журнал 4/2020

image_pdfimage_print

УДК. 550.83

DOI 10.24411/2413-046Х-2020-10217

ЭФФЕКТИВНОСТЬ ГЕОРАДИОЛОКАЦИИ В ИССЛЕДОВАНИЯХ ПОДПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЁВ НА ОБЪЕКТАХ СТРОИТЕЛЬСТВА ТЭК

THE EFFECTIVENESS OF GPR IN STUDIES OF SUBSURFACE AT THE CONSTRUCTION SITES TEK

Новохатин Василий Васильевич, профессор кафедры геодезии и кадастровой деятельности, д.т.н, Тюменский индустриальный университет, г. Тюмень

Новиков Юрий Александрович, доцент кафедры геодезии и кадастровой деятельности, к.т.н, Тюменский индустриальный университет, г. Тюмень

Novokhatin V.V., Novohatin@yandex.ru

Novikov Yu.A., Novikov.tiu@gmail.com

Аннотация. Важнейшим этапом в процессе добычи нефти и газа является подготовка месторождения к эксплуатации. При этом, геодезическим и инженерно-геологическим изысканиям, проводимым для обустройства нефтегазовых месторождений, в том числе кустовых площадок придают большое значение. Одной из проблем, тормозящих процесс геодезических и инженерно-геологических изысканий, является применение в основном методов полевой геологической съёмки. Такой метод не только занимает большой промежуток времени, но и влечёт за собой определенные неточности в изысканиях, что в дальнейшем может стать причиной неправильных расчётов инженерами тех или иных параметров для строительства объектов нефтегазового комплекса на определенной территории.  На сегодняшний день имеется возможность избежать таких проблем, применяя при проведении изысканий геофизические методы, а именно, принцип георадиолокации, используя современный прибор – георадар.

В предлагаемой работе приводятся результаты инженерно-геодезических и геологических изысканий подповерхностных слоёв, используемые при разработке проектно-сметной документации по отсыпке основания кустовой площадки. Рассматриваются: метод полевой геологической съёмки и метод георадиолокации. Их достоинства и недостатки.

 Summary. The most important stage in the process of oil and gas production is the preparation of the field for operation. At the same time, geodesic and engineering-geological surveys conducted for the development of oil and gas fields, including Bush sites, are given great importance. One of the problems that slow down the process of geodesic and engineering-geological surveys is the use of mainly methods of field geological survey. This method not only takes a long period of time, but also entails certain inaccuracies in the research, which in the future may cause incorrect calculations by engineers of certain parameters for the construction of oil and gas facilities on a certain territory. To date, there is a possibility to avoid such problems by conducting surveys geophysical methods, namely, the principle of GPR, using modern device – ground penetrating radar.

This paper presents the results of engineering-geodesic and geological surveys of subsurface layers used in the development of design and estimate documentation for the dumping of the base of the Bush site. We consider: the method of field geological survey and the method of geolocation. Their advantages and disadvantages.

Ключевые слова: георадиолокация, георадар, радарограмма, георадиолокационное профилирование, месторождение, кустовая площадка, насыпные грунты.

Keywords: geo-radar, GPR, radarogram, geo-radar profiling, field, Bush site, bulk soils.

Оценка всех особенностей геологии территории, как основания инженерного сооружения, производится в ходе инженерно-геодезических и геологических изысканий, от полноты и качества которых зависит достоверность проектирования и последующее строительство. На основании полученных данных определяются наилучшие, наиболее оптимальные варианты строительства объекта.

На сегодняшний день в нефтегазовой отрасли существуют несколько методов для изучения, поиска, исследования земной поверхности и её недр. К ним относятся методы полевой геологической съемки и геофизические методы. Среди существующих в настоящий момент наземных геофизических методов исследований такими возможностями в наибольшей степени обладает метод георадиолокации [1]. Круг задач, для решения которых этот метод является эффективным или практически безальтернативным, обширен и хорошо известен специалистам [2, 3]. Для осуществления исследования земной поверхности вторым путём используется принцип георадиолокации.

В условиях Западной Сибири, где основная часть объектов строительства ТЭК расположена в зоне интенсивного болотообразования, определение метода инженерно-геодезических и геологических изысканий, обеспечивающего получение качественных результатов, является важной задачей с позиций рационального использования средств и времени строительства.

Целью исследований является оценка метода полевой инженерно-геологической съемки и геофизического метода — георадиолокации, используемых в изысканиях при отсыпке основания кустовой площадки.

Экспериментальная часть

Нами проводились исследования технологии выполнения полевых изысканий подповерхностных слоёв основания кустовой площадки методом инженерно-геологической съемки и геофизическим методом – георадиолокацией, с позиций системного подхода оценки их количественных характеристик, что позволяет достоверно оценить их эффективность во времени и в пространстве.

Результаты и их обсуждение

Применение георадиолокационного метода для решения инженерно-геологических и геотехнических задач в настоящее время приобретает все более широкие масштабы. Это объясняется простотой проведения полевых работ и высокой производительностью метода. Для проведения полевых работ не требуется разрушения объекта исследования, а компьютерная обработка полученных данных даже на самых ранних стадиях может ответить на многие поставленные задачи.

Главным достоинством метода георадиолокации являются высокая пространственная разрешающая способность и практически адекватное отображение на георадарограммах особенностей геологического строения изучаемого разреза.

Георадиолокацию можно рекомендовать для включения в технологический цикл разведочных работ на стадии выбора маршрутов движения и места работы тяжелой техники в зимнее время в северных районах как метод, обеспечивающий высокую скорость сбора информации и хорошую детальность в сравнении с традиционными методами (и без потери качества). В конечном счете метод георадиолокации сможет обеспечить более высокую производительность труда при исследовании подповерхностных отложений.

Одним из приборов, которым выполняется такая съемка, является георадар. Это прибор радиолокационного зондирования позволяет получать детальную информацию об объекте в реальном режиме времени. Технология георадиолокации состоит в сборе, обработке и последующей интерпретация откликов электромагнитных сигналов, отраженных от границ раздела слоев зондируемой среды, имеющих различие по диэлектрической проницаемости [2].

Принцип действия аппаратуры GPR (в общепринятой терминологии – геора­дара) основан на генерации сверхширокополосных наносекундных импульсов метро­вого и деци­метрового диапазона электромагнитных волн и приеме сигналов, отражен­ных от гра­ниц раздела слоев зондируемой среды, имеющих различные электрофизиче­ские свой­ства, обработке принятых сигналов и последующим измерением временных интервалов между отра­женными импульсами. Границами раздела в исследуемых средах являются, например, контакт между сухими и влагонасыщенными грунтами – уровень грунтовых вод, контакты ме­жду породами различного литологического состава, между породой и материалом ис­кусственного сооружения, между коренными и осадочными породами и т.д. [6].

Применение георадаров для решения этих задач требует сочетания высокой разрешающей способности (2-5 см), большой глубины зондирования (1-3 м) и высокой скорости сканирования (100-200 трасс/сек). Точность полевых георадиолокационных измерений зависит, в частности, от способов обработки данных, от параметров самой георадиолокационной аппаратуры, а также от условий её эксплуатации, квалификации специалистов, проводящих георадиолокационные исследования. 

Для получения картографических материалов, результаты геодезических и геологических съемок подвергаются обработке. Методика обработки георадиолокационных данных состоит, прежде всего, в вы­делении полезного сигнала на фоне помех и шума. А затем уже полезные волны, их ам­плитуды, частотный состав и т.д. используются для получения параметров среды. Для выделения полезных сигналов ис­пользуется отличие их характеристик от соответст­вующих характеристик шума и волн-помех. Опираясь на эти различия, с помощью раз­нообразных приемов преобразования сигналов (осуществляемых с помощью компью­тера с соответствующим программным обеспечением) волны- помехи и шумы отсека­ются, и получается запись – радаро­грамма, которая в дальнейшем интерпретируется соответствующим специалистом, в результате чего на ра­дарограмме выделяются относительно однородные области и осуществляется их геодезическая и геологическая привязка – определение литологического состава и мощности (обычно с помощью данных буре­ния или шурфования) для получения подробного геологического разреза, содержа­щего все необходимые для проектирования данные [7].

Рассмотрим применение метода георадиолокационного профилирования на примере кустовой площадки, расположенной на одном из месторождений Западной Сибири, где размещены скважины, нефтегазодобывающее оборудование, служебные и бытовые помещения.

В настоящее время для изучения состояния подповерхностных слоев грунтов основания кустовой площадки, в основном используются визуальные контактные методы: бурение шурфов и скважин. В результате, достоверная информация о строении основания кустовой площадки имеется лишь вблизи пробуренных скважин. Межскважинное пространство остается неизученным. Все это способствует некачественному составлению профилей и получению недостоверных абсолютных отметок рассматриваемых подповерхностных слоев. При строительстве основания кустовых скважин в условиях заболоченных территорий, выполняется большой объём земляных работ. Основная часть грунта привозится из специальных карьеров, автомобильным транспортом. Это требует значительных финансовых затрат. Поэтому получение более точных параметров подповерхностных слоев четвертичных отложений, при строительстве основания кустовых скважин является необходимым и важным условием качественного и рационального формирования объекта строительства. Точные результаты инженерно-геодезических и геологических изысканий можно получить с использованием метода георадиолокации. Что было изложено выше. 

В связи с тем, что объекты Западной Сибири расположены в основном на болотистой местности. В целях повышения темпов, снижения трудоемкости строительства целесообразно использовать на болотах I и II типов, в нижней части насыпи, торфяные грунты [4].

На основании отчёта инженерных геодезических и геологических изысканий инженер-проектировщик рассчитывает необходимое количество грунта для отсыпки основания кустовой площадки. Основной задачей является расчет мощности насыпного основания с учетом осадки (соответственно объем грунта), обеспечивающей несущую способность насыпи от нагрузки самого насыпного основания, оборудования, расположенного на кустовой площадке и буровой установки.

Опираясь на исходные картографические данные, высотные абсолютные отметки основания кустовой площадки, исследуемых слоев, инженером выполняется расчёт-план объёма насыпного грунта необходимого для отсыпки основания кустовой площадки.

При отсыпке основания кустовой площадки на проектную отметку, выясняется, что не хватает объема грунта, предусмотренного проектной документацией. Возникает проблема завершения строительства и изыскания дополнительных финансовых средств. Причинами сложившейся ситуации могут быть неточно установленные в результате исследования глубина болот, мощность подповерхностных слоёв или тип торфа (из-за чего необходимо большее количество грунта на отсыпку). Для выявления возможных причин недостаточности грунта решено произвести георадиолокационное профилирование на уже отсыпанном объекте по тем же линиям разрезов, по которым проводились полевые изыскания. По результатам профилирования получена радарограмма (рисунок 1), которая более детально, чем при бурении изыскательских скважин, отображает вертикальный разрез земной поверхности.

Обработка и интерпретация радарограммы, ее привязка к опорной геодезической сети, а также наложение полученных характеристик на ранее выполненный разрез, сформированный в результате полевых изысканий,

показывает отклонение результатов на 5 -26% (рисунок 2). Съёмка выполненная с использованием метода георадиолокации позволяет получать более точные данные, что крайне необходимо при разработке качественных проектов освоения нефтепромысловых территорий.

 На рисунке 2 представлена информация, выполненная двумя методами изысканий. В данном случае заметны расхождения в мощности торфяной залежи, выявленной в результате изысканий, выполненных полевым геологическим методом и с помощью георадиолокации. Такая ситуация могла возникнуть в связи с тем, что при полевом геологическом методе изыскания скважины бурились с определенным промежутком (через 50 м), все линии профиля строились методом интерполяции. Соответственно, промежутки между скважинами остаются не исследованы, а именно в них мощность и глубина залегания тех или иных слоёв могут существенно отличаться от предполагаемых в силу определенных природных условий, что и было доказано после проведения георадарной съемки и отображения георадиолокационного профиля. Также на рисунке видно, что и в районе некоторых скважин, были выявлены отклонения, обусловленные тем, что бурение скважин проводилось вручную.

Данные изысканий, выполненных с использованием георадиолокации позволяют получать подробные, дифференцированные разрезы почв на объектах строительства основания кустовой площадки (рисунок 3).  А это в свою очередь способствует разработке качественной проектно-сметной документации.

Сопоставление глубин залегания подошвы торфа по контрольным и ранее пройденным выработкам и радограммам показывает, что имеются отклонения. Фактическая мощность торфа местами имеет большую величину, чем указана на геологических разрезах [5-7].

Выполненные на объекте исследования (кустовая площадка) изыскания с использованием скважин, пробуренных через 50 м, показали, что в пределах этой площадки насыпные грунты представлены песками мелкими, местами пылеватыми, влажными, ниже уровня подземных вод насыщенными водой, местами с прослоями супеси. Мощность насыпных грунтов по данным бурения контрольных скважин составляет 2,8-3,0 м [8-10]. Использование непрерывного прослеживания мощности насыпного грунта и глубин залегания торфа георадиолокационным профилированием позволяет получить более подробную, достоверную информацию. Результаты выполненных исследований показывают, что параметры подповерхностных слоёв значительно изменяются в плане и по высоте. Мощность насыпного грунта, по данным радиолокационного профилирования, варьирует от 1,0 м до 4,5 м.

Это несоответствие вызывает необходимость выполнения пересчета объёмов привозного грунта, для отсыпки кустового основания на проектную отметку. Профильный объем грунта, необходимого для отсыпки кустовой площадки с учетом осадки, приведённый в проектно-сметной документации, составил 111681 м3 [11] . После контрольной съемки георадиолокацией было выявлено, что глубина болота местами больше, чем на геологических разрезах, вследствие чего, профильный объем поставляемого грунта, после пересчета, составил 134395 м3, что на 22714 м3 больше, чем в проектной документации.

Резюмируя о вышесказанном, следует отметить, что применение георадиолокации позволяет не только более точно произвести исследования мощности подповерхностных слоёв, от чего зависит расчет на устойчивость насыпного основания кустовой площадки и соответственно объем привозного грунта, но и сократить затраты на изыскательские работы, причём как финансовые, так и временные. При использовании данного метода возможно профилирование и ручное бурение, в качестве контроля, выполнять с шагом через 100-200 м, что в два-четыре раза сократит объёмы ручного бурения.

Литература

1. Подповерхностная радиолокация / М.И.Финкельштейн, В.И.Карпухин, В.А.Кутев, В.Н.Метелкин Под. Ред. М.И.Финкельштейна. М.: Радио и связь. 1994. 216 с.

2. Владов М.Л. Введение в георадиолокацию. Учебное пособие / М.Л.Владов, А.В.Старовойтов. М.: Изд-тво МГУ. 2004. 153 с.

3. Глазунов В.В. Некоторые перспективные направления развития метода георадиолокации в инженерной геофизике / В.В.Глазунов, Н.Н.Ефимова // Тезисы конференции «Георадар-2002». М.: Изд.-во МГУ. 2002. С.1-4

4. ВСН 26-90 «Инструкция по проектированию и строительству автомобильных дорог нефтяных и газовых промыслов Западной Сибири»; М.: 1991. 67 с.

5. Отчет по инженерным изысканиям на кустовую площадку. Нижневартовск. 2016. 120 с.

7. http://redut-security.ru «Принцип работы и использование георадара».

8. http://studbooks.net «Обработка и интерпретация данных».

9. Пелымская, О. В., Кравченко, Е. Г., Кряхтунов, А. В. Особенности оформления линейных объектов — кабельных линий электропередачи на примере города Тюмени // Современные проблемы науки и образования, 2014, № 4.

10. Bogdanova, O.V., Chernykh, E.G., Kryakhtunov, A.V. Zonas naturales especialmente protegidas como objeto de actividad inversora // Revista ESPACIOS. — 2018. — Vol. 39 (Number 16). — P. 36. [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://www.revistaespacios.com/a18v39n16/a18v39n16p36.pdf

11. Simakova T.V., Simakov A.V., Skipin L.N., Chernykh E.G., Starovoitova E.S. Formation of a sustainable system is the basis of rational land use management / Espacios. 2019. Т. 40. № 20. С. 20.