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

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].

Геофизические 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-

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, И]. 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:

|~4.^ | - номер пикета ВЭЗ;  - линия профиля

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 заземлителей были использованы утяжеленные электроды.

^^^■^■^^^в''''- '^^\_     вР^^Ч^1^^^^^^[''-'- V''’

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, h - 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.

6 8100

АВ/2, м

'4    6 8

Условные обозначения:

I I -лед;

ГГЦ -вода;

■ -суглинок текучепластичный;

П -песок водонасыщенный;

gg -гравийный грунт с песчаным заполнителем водонасыщенный;

Ы -гравийный грунт с суглинистым заполнителем;

fad -алевролит с прослоями песчаника;

^ -алевролит выветрелый, трещиноватый;

□ПЛ -удельное электрическое сопротивление, Ом м;

z’ м Скв 127 ВЭЗ 6д ВЭЗ 6

О

IQ-

30-

8.0

гкОмм

Яйва. Пр. 1, пк. 6

Рис. 3. Схема выполнения зондирования - а); результаты интерпретации зондировании, 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 геоэлектрическая модель перехода, в которой ниже описываются выделенные инженерно-геологические элементы и их особенности изменения физических 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 9040 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 3063 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 геофизических методов (на примере скважины 69а)

S £	Скв. 69а	m S л 5 S О X 3 о	Вертикальное электрическое зондирование
			Со льда			Со дна
	Глубина кровли (подошвы), м		Глубина кровли (подошвы), м	Л 3 S	Погрешность, %	Глубина кровли (подошвы), м	Л 3	Погреш грешность, %
2р	о,з	2,3	0,8	1,9	166	—		—
	2,6		2,7		3,8	2,6		1,0
5		3,4		4			3,8
	6		6,7		12	6,4		1,7
5р 6р		4,1 3,4		5,7			4,4 4,7
	10,1		-		-	10,8		6,9
	13,5		12,4		8,1	15,5		14,8
7р		8,5		21,6			10,5
	22		32		45	26		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 геофизических методов (на примере скважины 126)

S £	Скв. 126	л О ~ Я Л 3 (-и О S S	Вертикальное электрическое зондирование
			Со льда			Со дна
	Глубина кровли (подошвы), м		Глубина кровли (подошвы), м	© О S	Погрешность, %	Глубина кровли (подошвы), м	© О S	Погреш-греш-ность,%
2р	7	3	7	3,1	-	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
7р		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