СОВРЕМЕННЫЕ ГЕОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ КАК ФАКТОР РИСКА РАЗРУШЕНИЯ ТРУБОПРОВОДОВ

На Сургутском полигонном участке уральскими специалистами был исследован участок законсервированного нефтепровода, пересеченного локальным тектоническим разломом субмеридионального простирания.

наблюдались многократные повторяющиеся аварийные ситуации. Так как на данном участке наблюдалось хорошее сцепление трубы с породным массивом, то система трубопровод-порода рассматривалась как сплошная деформируемая среда. Для оценки изменений напряженного состояния в разломных зонах и исследования динамики деформационных процессов был проведен комплекс исследований, в которых трубопровод использовался в качестве индикатора процессов, происходящих в породном массиве.

В ходе выполнения исследовательских работ, в пунктах измерений было произведено шурфование трубопровода со снятием защитной изоляции. На зачищенных местах были установлены магнитные метки, феррозондовые датчики и тензодатчики, по которым производилось непрерывное тензометрирование с целью исследования динамики деформаций во времени. Максимальные напряжения, зафиксированные в процессе исследований на трубопроводе, были значительны и составили для данного участка в разные периоды времени от 80 до 120 МПа, что соответствует деформациям до 99 мм на базе измерений около 500 метров.

Повторяемость результатов в процессе проводимых исследований была высока, методы измерения достаточно точными, однако они предполагают необходимость доступа к телу трубы с обязательным удалением защитной изоляции и зачисткой поверхности, что неприемлемо в условиях непрерывной транспортировки продуктов. В этих условиях становится актуальным поиск высокоточных и малотрудоемких методов измерения деформаций, происходящих в локальных разломных зонах, без использования трубы в качестве датчика деформаций.

Весной 2000 г. специалистами ИГД УрО РАН совместно со специалистами НПЦ “Сургутгеоэкология” [Панжин А.

В разработанной методике непрерывного мониторинга короткопериодных деформаций массива использовался мобильный комплект GPS-аппаратуры фирмы Trimble Navigation. Требуемую точность обеспечивает технология дифференциальной GPS. Одновременная работа минимум двух приемников позволяет определить величину ионосферной и тропосферной поправки, компенсирующей искажение спутниковых радиосигналов при прохождении их через ионосферу и тропосферу Земли. Главным условием работы в режиме дифференциальной GPS является обеспечение одновременного приема сигналов от одних

и тех же спутников обоими приемниками. В проводимых исследованиях принимало участие 4 и более приемников Trimble 4600LS и Trimble 4000SSE, ведущих одновременную работу на исследуемых интервалах. При последующей попарной обработке это обеспечивает измерение смещений и деформаций одновременно по шести и более отрезкам на местности. В экспериментальных работах использовались два временных режима определения вертикальных и горизонтальных смещений (рис. 2.1.1).

J ih! рнй              11:

Рис.

[Панжин А. А., 2000]

Накопление данных от спутников производилось с интервалом в 5 секунд в один непрерывный файл данных, который при выполнении последующей камеральной обработки соответствующим образом “нарезался”.

В основном режиме происходило накопление спутниковых данных в течение 15 минут (180 измерений на точку). В дополнительном режиме накопление данных производилось в течение 1 минуты (12 измерений на точку). То есть результаты, выдаваемые на печать через указанные интервалы, представляли собой усредненные значения смещений за этот промежуток времени. Обеспечение высокой точности определения смещений GPS-технологиями достигалось за счет тщательного планирования спутниковых наблюдений. Выполнение этих требований обеспечивает определение взаимного положения двух приемников с точностью не ниже 2-3 мм. Эта точность подтверждалась на специальных базисах, оборудованных стационарными пунктами с известными координатами.

Камеральная обработка полевых измерений проводилась с использованием пакетов фирменного программного обеспечения GPSurvey и Trimble Geomatics Office, поставляемых с GPS приемниками фирмы Trimble Navigation, а также дополнительного пакета авторских программ. На первом предварительном этапе камеральных работ производилось преобразование файлов данных с непрерывными измерениями в файлы данных с дискретными измерениями. То есть непрерывный

массив данных принудительно разделялся на точки измерений и каждой точке присваивался собственный уникальный идентификатор (см. рис. 2.1.1). Как отмечалось выше, выделялись дискретные точечные измерения с периодами 15 минут и 1 минута. По результатам обработки полученных данных в модуле WAVE пакета GPSurvey вычислялись векторы между точками и их компоненты (длина вектора, превышение, компоненты север-юг и запад-восток). По изменениям величин компонент векторов определялись величины смещений и деформаций соответствующих интервалов в горизонтальной и вертикальной плоскостях, их амплитуды и строились графики изменения этих величин.

Разработанная методика была впервые опробована летом 2000 г. на сургутском полигонном участке, где ранее специалистами “Сургутгео- экологии” производились определения короткопериодных деформаций массива контактными способами (рис. 2.1.2).

Рис. 2.1.2. Геодезическая сеть по измерению геодеформаций [Панжин А. А., 2000]

Основной целью экспериментальных работ было опробование разработанной методики в полевых условиях, определение величин короткопериодных деформаций разломных зон на эталонном участке и сопоставление их с измеренными ранее величинами деформаций.

Как отмечалось выше, экспериментальный объект находится в 17 километрах от города Сургута на пересечении магистрального нефтепровода с локальным тектоническим нарушением, имеющим субмеридиональное простирание. Динамика смещений и деформаций исследовалась методами спутниковой геодезии по специально разработанной методике. Непосредственно измерялись взаимные вертикальные и горизонтальные смещения точек специальной наблюдательной станции, оборудованной на исследуемом участке. Наблюдательная станция представляла собой систему точек, закрепленных на местности с помощью забивных металлических реперов, применение которых обеспечивает возможность повторения эксперимента. Всего на объекте было оборудовано 15 точек наблюдения. Дополнительно контрольные серии наблюдений производились в нетронутом массиве горных пород за пределами зоны влияния тектонического нарушения. Таким образом, наблюдаемая система точек, закрепленных на местности реперами, охватывала зону разлома, которая, по предположениям и данным предшествующих экспериментов, должна обладать наибольшей активностью.

Всего на объекте в течение семи суток было проведено шесть рабочих серий непрерывных измерений величин короткопериодных деформаций разломной зоны и две контрольные сессии наблюдений в нетронутом массиве. Продолжительность непрерывных серий измерений составляла на разных реперах наблюдательной станции от 16 до 30 часов. Таким образом, по каждой из серий наблюдений было получено до 1020 единичных результатов. При камеральной обработке результатов измерений оценивалась точность определения длин линий и превышений между реперами как по показателям качества получения векторов в геоцентрической системе координат, так и путем расчета невязок замыкания замкнутых контуров. При этом было установлено, что ошибки замыкания не превышают величин мм в горизонтальной плоскости и 2 мм в вертикальной плоскости.

Накопление данных, как было описано выше, производилось в основном и дополнительном режимах с разной дискретностью точечных измерений. При этом было отмечено, что увеличение периода съема показаний влечет за собой сглаживание динамики колебаний, при этом из волновой картины исчезают короткопериодные колебания.

В результате исследований было подтверждено наличие короткопериодных деформаций массива в пределах выявленной разломной зоны. Максимальная абсолютная величина горизонтальных деформаций составляет 35-57 мм. Для вертикальных деформаций максимальные величины составляют, соответственно 86-108 мм. Типичный график изменения длин линий и превышений между реперами наблюдательной станции представлен на рис. 2.1.3 (черная линия — горизонтальные движения, серая — вертикальные).

alt="" /> 40

30

I

На графиках достаточно четко прослеживается волновая картина изменения длин линий и превышений во времени.

Частотные характеристики колебаний смещений и деформаций имеют достаточно широкий характер, но наиболее четко выделяются гармоники с продолжительностью периодов от 30 до 60 минут. Имеются и другие, менее выраженные гармоники. В результате выполненной экспериментальной работы, во-первых, была получена достаточно хорошая корреляция результатов измерений с данными предшествующих исследований, а во-вторых, была доказана эффективность применения комплексов спутниковой геодезии в качестве средства бесконтактного исследования и контроля воздействия динамически напряженных зон на трубопроводы путем непрерывных наблюдений за смещениями и деформациями земной поверхности.

Полученные экспериментальные данные о наличии динамических факторов в зонах тектонических нарушений и вызванных ими знакопеременных деформаций и сдвижений влекут за собой серьезные фундаментальные и прикладные последствия. В фундаментальной области они связаны с углублением представлений о естественном напряженно-деформированном состоянии массива горных пород. К установленным сегодня гравитационным и тектоническим компонентам добавляется динамическая составляющая. В прикладной области они связаны с воздействием деформаций на искусственные объекты, попадающие на активные тектонические нарушения, которые окажутся под их воздействием.