Способ идентификации зон потенциальной аварийности сооружений

 

Использование: для изучения строения и динамики земной поверхности и осуществления прогноза интенсивности и активизации деформационных процессов. Сущность: производят подземные и/или космические повторные геодезические наблюдения за вертикальными смещениями земной поверхности в наблюдательных пунктах с интервалом между повторными наблюдениями не реже двух раз в год. Измеряют современные вертикальные смещения, определяют региональные напряжения, коэффициент Пуассона, модуль жесткости горных пород, относительное изменение объемного модуля, определяют амплитуду аномальных вертикальных смещений. Определяют размеры и глубину залегания источника потенциальной аварийности по приведенной формуле. Определяют распределение вертикальных аномальных смещений земной поверхности по глубине, на основании которого делают вывод о потенциальной аварийности данной зоны. Технический результат: повышение надежности строительства и эксплуатации сооружений. 2 ил.

Изобретение относится к строительству и эксплуатации подземных и наземных сооружений и может быть использовано для изучения строения и динамики земной поверхности и осуществления прогноза интенсивности и активизации деформационных процессов, что очень важно при поиске и разведке месторождений полезных ископаемых, например нефтегазоносных структур.

Известен способ идентификации зон потенциальной аварийности, 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, разбитого 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 потенциальной аварийности и трудоемкость данного способа.

Известен другой способ идентификации зон потенциальной аварийности, 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 потенциальной аварийности (авторское свидетельство 221955 А, 17.07.1968).

Недостатком данного способа является трудоемкость и большой многолетний срок наблюдений, необходимый для получения надежных данных о тектонических смещениях и идентификации зон потенциальной аварийности.

Наиболее близким к данному изобретению является способ идентификации зон потенциальной аварийности, при котором производят наземные и/или космические повторные геодезические наблюдения за вертикальными смещениями земной поверхности в наблюдательных пунктах, расстояния 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 км и определяют зоны потенциальной аварийности по аномальным смещениям на земной поверхности (Касьянов Ю.О. и др. Связь современной геодинамики глубинных разломов с вариациями дебетов скважин нефтяных месторождений (на примере Усть-Балыкского Западная Сибирь), Информационный сборник: Геологическое изучение и использование недр, Москва, 1966, вып.4).

Недостатком известного способа является низкая точность прогнозирования зон потенциальной аварийности, а также отсутствие оценки потенциальной аварийности по глубине, 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 потенциальной аварийности, при котором производят наземные 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 земной поверхности с погрешностью не более 5 мм на км, определяют региональные напряжения σ_p в МПа, коэффициент Пуассона ν, модуль жесткости горных пород μ в МПа, относительное изменение объемного модуля α = δК/К, дополнительно определяют амплитуду δН аномальных вертикальных смещений в мм, ширину зоны аномальных вертикальных смещений L в км и в случае а₁≥δH/L≥a₂, определяют ширину источника потенциальной аварийности и расстояние от земной поверхности до верхней и нижней границы источника потенциальной аварийности по формуле определяют распределение аномальных вертикальных смещений U земной поверхности по глубине по формуле , а идентификацию зон потенциальной аварийности производят по соотношению между аномальным вертикальным смещением и предельно допустимым вертикальным смещением U_f земной поверхности и в случае, если делают вывод, что данная зона является потенциально аварийной, где К - объемный модуль, МПа; δК - изменение объемного модуля во времени; 2а - ширина источника потенциальной аварийности, мм;
а₁ - предельно допустимые вертикальные смещения земной поверхности, ограниченные условием разрыва сплошности сред, мм;
а₂ - погрешность измерения, мм;
d, D - расстояние от земной поверхности до верхней и нижней границы источника потенциальной аварийности соответственно, км;
ν^r₁ функция Грина для смещения в полупространстве;
x₂ - координата наблюдательного пункта, км;
ξ₁, ξ₂, ξ₃ - внутренние координаты источника потенциальной аварийности.

Предельно допустимое вертикальное смещение земной поверхности регламентируется существующими нормативными документами и допусками.

На фиг. 1 представлены диаграммы распределения амплитуд δН аномальных вертикальных смещений, которые получены в результате повторных геодезических (нивелирных) наблюдений вдоль одного из профилей в пределах Ромашкинского нефтяного месторождения за различные промежутки времени.

На фиг.2 представлено местоположение источника на глубине, которое было определено в соответствии с данным изобретением, и вызванное им распределение вертикальных смещений земной поверхности.

В соответствии с рассматриваемым способом идентификации зон потенциальной аварийности вдоль одного из профилей в пределах Ромашкинского нефтяного месторождения производились повторные геодезические наблюдения за вертикальными смещениями земной поверхности в наблюдательных пунктах, расстояние между которыми равно 250 м. Наблюдения проводились с июня 1992 г. по май 1993 г., с мая 1993 г. по ноябрь 1993 г. и с июня 1992 г. по ноябрь 1993 г. , при этом наблюдения проводились не реже двух раз за каждый из указанных периодов. На указанном профиле были измерены амплитуды вертикальных смещений земной поверхности с погрешностью, равной 3 мм на расстоянии 1 км, определены региональные напряжения σ_r, коэффициент Пуассона ν, модуль жесткости горных пород μ, относительное изменение объемного модуля α. По результатам измеренных параметров в соответствии с приведенными выше формулами определяли амплитуду δН аномальных вертикальных смещений земной поверхности вдоль одного из профилей в пределах Ромашкинского нефтяного месторождения и были построены диаграммы изменений этих амплитуд за указанный период наблюдения (фиг.1).

Как видно из фиг. 1 описанному выше условию аномальности вертикальных смещений отвечают узкие, локальные опускания земной поверхности с амплитудами аномальных вертикальных смещений δН 15 мм за период с июня 1992 г. по ноябрь 1993 г. и 22 мм за период с мая 1993 г. по ноябрь 1993 г. Ширина зоны аномальных вертикальных смещений в обоих случаях составляет порядка 2,5 км.

Из представленных на фиг. 1 диаграмм видно, что аномальные пикообразные вертикальные смещения земной поверхности имеют амплитуды более чем 15 мм и сосредоточены на участке земной поверхности, протяженностью порядка 2 км. Были определены ширина 2а источника потенциальной аварийности и расстояние от земной поверхности до верхней и нижней границы источника потенциальной аварийности, которые составили величины 0,5 км, 0,75 км и 1,75 км соответственно (фиг.2).

Определенные параметры источника аномальных смещений (глубина залегания и размеры) позволили оценить распределение аномальных вертикальных смещений в окрестности источника вплоть до земной поверхности смещений Ur на указанной глубине по упомянутому профилю. Поскольку отношение между вертикальными аномальными смещениями Ur и предельно допустимым вертикальным смещением U_f больше единицы, то есть U_r>U_f, то данная зона указанного профиля является зоной потенциально аварийной (фиг.2). Именно этот участок геологического разреза с расстоянием d от земной поверхности до его верхней границы и расстоянием D от земной поверхности до его нижней границы и является источником потенциальной аварийности с шириной 2а.

Для практической иллюстрации способа на одном из нефтяных месторождений Западной Сибири (Усть-Балык) были поставлены специальные эксперименты и выделены зоны потенциальной аварийности для трубопроводных систем (наземных сооружений) и глубоких скважин (подземных сооружений).

Как видно из фиг. 2, рассчитанные по формулам аномальные вертикальные смещения в виде узких локальных смещений как по форме, так и по амплитуде и ширине полностью соответствуют экспериментальным данным.

Анализ имеющихся данных по аварийности объектов обустройства (скважины и трубопроводы) этого месторождения показал, что значительная часть (более 70%) аварийных ситуаций на этих объектах происходят в зонах, которые выявлены данным способом.

Формула изобретения

Способ идентификации зон потенциальной аварийности сооружений, при котором производят наземные и/или космические повторные геодезические наблюдения 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, определяют региональные напряжения σ_p в МПа, коэффициент Пуассона ν, модуль жесткости горных пород μ в МПа, относительное изменение объемного модуля α = δК/К, дополнительно определяют амплитуду δН аномальных вертикальных смещений в мм, ширину зоны аномальных вертикальных смещений L в км и в случае а₁ ≥ δН/L ≥ а₂, определяют ширину источника потенциальной аварийности и расстояние от земной поверхности до верхней и нижней границы источника потенциальной аварийности по формуле

определяют распределение аномальных вертикальных смещений U_r по глубине геологического разреза их соотношения

а идентификацию зон потенциальной аварийности сооружений производят по соотношению между аномальными вертикальными смещениями U_r и предельно допустимым вертикальным смещением U_f и в случае, если

делают вывод, что данная зона является потенциально аварийной,
где К - объемный модуль, МПа;
δК - изменение объемного модуля во времени;
2a - ширина источника потенциальной аварийности, мм;
a₁ - предельно допустимые вертикальные смещения земной поверхности, ограниченные условием разрыва сплошности сред, мм;
a₂ - погрешность измерения, мм;
d, D - расстояние от земной поверхности до верхней и нижней границы источника потенциальной аварийности соответственно, км;
ν^r_l функция Грина для смещения в полупространстве;
x₂ - координата наблюдательного пункта, км;
ξ₁, ξ₂, ξ₃ - внутренние координаты источника потенциальной аварийности.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2