Опыт практического применения

Семенов О.А., Лозгачев Д.А.
ООО «Нефтегазгеодезия», Санкт-Петербург
ОПЫТ ПРАКТИЧЕСКОГО ПРИМЕНЕНИЯ ГЕОФИЗИЧЕСКИХ
МЕТОДОВ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРИ ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ
ИЗЫСКАНИЯХ НА УЧАСТКАХ ПЕРЕХОДОВ ТРАСС ЛИНЕЙНЫХ
СООРУЖЕНИЙ ЧЕРЕЗ ВОДНЫЕ ПРЕГРАДЫ.
Актуальность применения геофизических методов исследования на
участках переходов трасс линейных сооружений через водные преграды
шириною более 50-ти метров обусловлена необходимостью сокращения
объемов буровых работ, особенно на русловых участках переходов, где
проведение буровых работ затрудненно, а порою и невозможно.
Основными задачами, решаемыми геофизическими методами
исследования на участках переходов линейных сооружений через водные
преграды, являются:
- корреляция инженерно-геологического разреза между инженерногеологическими скважинами;
- определение в плане и разрезе положения границ между грунтами
различного литолого-петрографического состава;
- определение рельефа скальных и мощности перекрывающих их
дисперсных грунтов;
- в районах развития многолетнемерзлых грунтов определение в плане
и разрезе границ мерзлых и не мерзлых грунтов.
Для решения перечисленных задач нами применяется комплекс
геофизических методов, состоящий из: вертикальных электрических
зондирований (далее ВЭЗ) и георадиолокационного профилирования (далее
ГРП).
Сеть геофизических наблюдений выбирается в соответствии с
рекомендациями СП 11-105-97 Часть IV. Наблюдения ведутся по профилю,
совмещенному с осью трассы и поперечным профилям. Профиль,
совмещенный с осью трассы, включает русловой участок трассы и
береговые участки длиной 200-300 метров. Длина поперечных профилей
обычно соответствует ширине притрассовой топографической съемки.
Расстояния между точками ВЭЗ: 50-100 метров. Между точками ГРП: 0.5-1.0
метр.
Вертикальные электрические зондирования.
Методика работ методом ВЭЗ в пределах русловой части переходов
через водные преграды существенно отличается при проведении работ в
летний и зимний период года.
В зимний период вертикальные электрические зондирования
выполняются со льда. Использование обычных установок ВЭЗ с
заземленными питающей и приемной линиями, связано с необходимостью
бурения многочисленных лунок, для обеспечения заземлений питающей и
приемных линий. При наличии во льду включений песка и гравийного
материала бурение лунок для устройств заземлений с использованием
гидрологического бура практически невозможно, требуется привлечение
легкой буровой техники и дополнительных трудовых ресурсов.
Значительно повысить производительность труда позволяет
использование бесконтактных электрических зондирований (далее БЭЗ).
Метод БЭЗ разработан в институте ВИРГ (г. Санкт-Петербург).
Теоретические основы метода изложены в монографии А.С. Нахабцева (1992
г.). Аппаратуру и методику работ разработал и внедрил Б.Г. Сапожников.
При проведении работ методом вертикальных электрических
зондирований в зимний период в ООО «Нефтегазгеодезия» в течение
нескольких лет с успехом применяется частично заземленная установка
электрических зондирований. Работы проводятся с использованием серийной
аппаратуры «ЭРА-МАХ» или «Эра-В-Знак», на рабочей частоте 625 Гц.
Схема установки приведена на Рисунке 1. Токовый электрод А
заземлен в точке зондирования. Генератор устанавливается в 30-50 метрах от
электрода А. Электрод В заземляется на расстоянии 150-250 метров от
генератора. В целях
использования заземлений при проведении
последующих зондирований, желательно длину токовой линии выбирать
кратной шагу наблюдений по профилю. Приемная линия MN перемещается
в направлении перпендикулярном токовой линии.
Рис. 1. Схема наблюдений ВЭЗ с не заземленной приемной линией MN.
Приемная линия (Рисунок 2) представляет собой стелящуюся по земле
несимметричную антенну. Для удобства монтажа установки, в качестве
электрода N используется серийный стальной электрод, отвод от него
соединяется с клеммой N измерителя. К электроду крепятся стелющиеся
приемные антенны, изготовленные из отрезков трехжильного кабеля в
резиновой оболочке РПШ, ШБРЛ или аналогичного. Жилы кабеля на концах
соединяются между собой. К месту соединения с одной стороны
присоединяется отвод к клемме М измерителя. Места соединений
изолируются.
Рис.2. Приемная линия MN, где L – длина стелющейся приемной линии, LMN – расстояние между
электродами MN, О – электрический центр линии MN (точка записи)
Рекомендуемые размеры:
L1=2 м
MN1=1м
L2=14 м
MN2=7м
Наблюдения проводят с использованием двух приемных линий
MN1=1 м; MN2=7 м. Следует помнить, что свободно лежащие на земле
длинные провода, в том числе и антенна второй измерительной линии MN2 ,
создают ложные аномалии измеряемых значений потенциала. При
проведении измерений на первой измерительной линии MN1 , вторая более
длинная измерительная линия должна быть свернута.
Местоположение точек измерения (разносов АО) определяется по
мерному шнуру. При разметке шнура следует учесть, что точка записи «О»
смещена от электрода N (положение оператора) на расстояние MN/2, в
сторону электрода А.
Определение коэффициентов установки производится следующим
образом. По формуле (1) определяются геометрические коэффициенты
установки для каждого разноса АО:
КГ 
2
1
АО 
MN
2

1
MN 2
AB  ( AO 
)
2
2

(1)
1
AО 
MN
2

1
AB 2  ( AO 
MN 2
)
2
Значения коэффициентов, рассчитанные по формуле (1) зависят от
длины питающей линии АВ. В связи с чем, желательно использовать линию
АВ одной длины, при проведении работ на всем участке.
Далее выбирается относительно ровный участок, желательно с
выдержанными по мощности и простиранию горизонтально залегающими
геоэлектрическими слоями, где выполняются зондирования частично
заземленной установкой и заземленной комбинированной установкой. Для
более надежного сопоставления результатов желательно чтобы зондирования
проводились с одинаковыми значениями разносов и длинами приемных
линий.
После построения кривых зондирований (Рисунок 3), по средней
части кривых определяют добавочный коэффициент для коэффициентов
частично заземленной установки, как частное между значением кажущегося
сопротивления
при
измерении,
произведенным
заземленной
комбинированной установкой и значением кажущегося сопротивления при
измерении, произведенным частично заземленной установкой. По
результатам вычислений добавочного коэффициента для нескольких
разносов АО, определяют средний добавочный коэффициент для всей
установки.
4
5
9
8
7
6
2
3
4
5
9
8
7
6
3
4
5
9
8
7
6
2
3
4
5
9
8
7
6
100
3
2
10
2
1
1
2
3
4 5 6 7 8 9 10
2
3
4 5 6 7 8 9100
2
3
100
10
1
4 5 6 7 8 1000
9
Рис.3. Определение коэффициента бесконтактной установки
Верхние ветви кривых зондирований, полученные частично
заземленной и заземленной установками, как правило, несопоставимы. На
результаты измерений частично заземленной установкой оказывает
влияние слой снега, льда и сезонномерзлых грунтов. В связи с чем,
добавочный коэффициент для коэффициентов первой измерительной линии
не определяется, а используется добавочный коэффициент, определенный по
средней части кривых для второй измерительной линии.
При дальнейшей интерпретации БЭЗ
значения кажущихся
сопротивлений умножаются на добавочный коэффициент, а ветви кривых,
полученные с первой измерительной линией, приводятся к кривым,
полученным со второй измерительной линией.
Расхождение нижних ветвей кривых ВЭЗ полученных с заземленной и
частично заземленной установками, связано с проявлением «скин»-эффекта,
ограничивающим потенциальную глубинность БЭЗ.
Пример результатов работ с частично заземленной установкой БЭЗ на
русловой части перехода нефтепроводной системы «Харьяга-Индига» через
реку Печора приведен на Рисунке 4.
На рисунке представлен
геоэлектрический разрез руслового участка перехода. В пределах участка
выделен геоэлектрический слой, представленный гравелисто-галечниковыми
грунтами, характеризующийся значениями удельного электрического
сопротивления 200-500 Ом∙м. Подстилается он геоэлектрическим слоем со
значениями удельного электрического сопротивления грунтов 12-17 Ом∙м,
представленным глинами морского происхождения, являющимся в данном
случае опорным геоэлектрическим горизонтом.
Рис. 4. Результаты работ методом ВЭЗ на участке перехода проектируемого нефтепровода «Харьяга-Индига» через реку Печора.
При производстве русловых работ методом ВЭЗ в летний период нами
используется комбинированная установка АMNВ(бесконечность). Схема
проведения работ изображена на Рисунке 5. Линия бесконечность
разматывается по проектируемой трассе, перпендикулярно водной преграде.
Измеритель и генератор находятся в лодке. При производстве работ
желательно использовать лодку грузоподъемностью от 500 кг и выше. К
борту лодки крепится измерительная линия MN, смонтированная на каркасе
из пластиковых водопроводных труб (Рисунок 6). Внутри труб помещаются
пенопластовые поплавки, для придания конструкции положительной
плавучести.
Приемные
электроды,
представляют собой
кольца,
изготовленные из проволоки диаметром 0.5-1.0 мм и закрепленные на трубе.
~
Рис.5. Комбинированные вертикальные электрические зондирования с поверхности воды
Рис.6. Инженер-геофизик Романовская Ю.В. с измерительной линией MN.
Лодка с измерительной линией выставляется по створу трассы. Для
фиксации лодки используется один носовой якорь. Для перемещения
электрода А по линии разносов, используется вторая, более легкая лодка с
одним гребцом, в задачу которого так же входит следить за параллельностью
измерительной и питающей линии. При наличии достаточно сильного
течения для перемещения электрода А может использоваться надувной
плотик (спасательный круг, детская надувная лодка и т.д.).
Ранее нами предпринимались попытки фиксации лодки с
измерительной линией на точке наблюдения с помощью нескольких якорей
и такелажных систем. Однако использование одного носового якоря
наиболее целесообразно. Лодки сами выставляются по ветру и течению, а
при необходимости перемещение питающего электрода А можно
продолжить и по берегу.
Результаты работ обрабатываются по стандартной методике.
Георадиолокационное профилирование.
Применение метода георадиолокационного профилирования (ГРП)
при обследовании водных переходов имеет особое значения для уточнения
геолого-геофизического разреза между скважинами. Метод ГРП – это
волновой метод исследования и с его помощью можно определить глубину
залегания границ, связанных со сменой физических свойств грунтов. Помимо
картирования геологических структур, определения уровня грунтовых вод,
уточнения профиля русла, глубины сезонного промерзания и оттаивания
грунтов, ГРП позволяет так же выделить локальные объекты (подземные
коммуникации, участки с нарушенным естественным залеганием грунта).
Важной особенностью ГРП является возможность проводить наблюдения с
шагом 0.5-1 метр и менее, что позволяет наиболее детально провести
корреляцию инженерно-геологического разреза между скважинами.
Как пример, можно рассмотреть результаты георадиолокационного
профилирования на переходе магистрального газопровода «СРТО-Омск»
через реку Ласьёган,
выполненные с прибором подповерхностного
зондирования «Око-2», производства ООО «Логис» г. Москва, с двумя
антенными блоками: АБ-250 с рабочей частотой 250 МГц и АБДЛ с рабочей
частотой 35 МГц. Проведение съёмки на частоте 250 МГц позволяет более
детально изучить верхнюю часть разреза, но глубина исследования не
превышает 3-5 метров. При использовании антенного блока с рабочей
частотой 35 МГц глубина исследования увеличивается до 10-15 метров с
потерей части информации на небольших глубинах, что не критично для
русловых участков переходов.
Антенный блок АБ-250 не герметичен, и при работах на акватории
должен размещаться в лодке. Дно современных ПХВ лодок может быть
изготовлено из армированной ткани. Такая ткань вызывает многократные
отражения зондирующего сигнала, тем самым создает помеху, не
позволяющую выделить полезный сигнал. Для производства работ с
антенным блоком наиболее пригодна обычная резиновая лодка с ненадувным
дном.
Антенный блок АБДЛ – герметичен. Для проведения работ на водной
поверхности к нему необходимо изготовить систему буёв, поддерживающих
антенну на плаву. Буйки надо располагать таким образом, чтобы не было
воздушного зазора между антенной и поверхностью воды. Это связанно с
тем, что у воздуха очень низкая диэлектрическая проницаемость, а у воды
наоборот очень высокая, что приводит к возникновению многократно
отраженной волны, уменьшению интенсивности проходящего сигнала и
уменьшению глубинности исследования. Пример расположения буёв у
антенны приведен на Рисунке 7.
Рис.7. Инженер-геофизик Романов Н.Н. с антенным блоком АБДЛ с закрепленными буйками.
На Рисунке 8 представлен фрагмент георадиолокационного профиля
выполненного антенной 250 МГц. Можно заметить, что радарограмма
отличается большим количеством переотраженных волн, что в свою очередь
затрудняет выделение полезного сигнала. На Рисунке 9 представлен
фрагмент профиля ГРП выполненного антенным блоком АБДЛ, где в
отличии от предыдущей радарограммы, количество переотраженных волн
гораздо меньше.
Обработка полевых данных обычно включает в себя несколько
главных процедур:
-Анализ радарограммы для выбора методики обработки;
-Удаление синфазной помехи (если она есть);
-Амплитудная коррекция сигнала;
-Частотная фильтрация;
-Пикирование выделенных осей синфазности;
-Преобразование радарограммы из временной в глубинную.
Рис. 8. Полевые данные по георадиолокационному профилированию (антенна 250 МГц)
Рис. 9. Полевые данные по георадиолокационному профилированию (антенна 35 МГц)
После обработки (См. Рис.10 и Рис. 11) удаляются почти все помехи,
и значительно усиливается полезный сигнал.
Рис. 10. Обработанные данные георадиолокационного профилирования (антенна 250 МГц)
Рис. 11. Обработанные данные георадиолокационного профилирования (антенна 35 МГц)
Таким образом, для проведения работ методом георадиолокационного
профилирования на русловых участках переходов трассы через водные
преграды, наиболее эффективным является использование низкочастотного
антенного блока АБДЛ. На береговых участках переходов целесообразно
проведение ГРП двумя рассмотренными антенными блоками с целью
детального расчленения верхней части разреза и обеспечения требуемой
глубинности исследования.
Заключение.
Предложенные нами способы проведения полевых работ и обработки
результатов основаны на практическом опыте работ на участках переходов
линейных объектов через водные преграды.
В заключение хочется напомнить о необходимости строго
соблюдения требований техники безопасности при работе на воде. Коллеги,
берегите себя!
Авторы
приносят
благодарность
сотрудникам
ООО «Нефтегазгеодезия»: Н.Н. Романову, А.С. Шамкову и М.Х.
Тилебалдиеву, за помощь и творческую инициативу при проведении полевых
работ и опробовании новых методик, Романовской Ю. В. за помощь в
оформлении доклада.
Список литературы.
Сапожников Б. Г.
Ортогональное электрозондирование с
незаземленными рабочими линиями, // Л., НПО Рудгеофизика, 1990, 115 с.
Нахабцев
А.С.,
Сапожников
Б.Г.,
Яблучанский
А.И.
Электропрофилирование с незаземленными рабочими линиями. Л.: Недра,
1985. 96 с.
Инструкция по электроразведке. М-во геологии СССР. Л.: Недра,
1984. 352 с.
Владов М. Л. Старовойтов А. В. «Введение в георадиолокацию». //
Издательство Московского университета 2005 год.