Оригинал перевода статьи находится
на сайте НПП “Навгеоком” по адресу http://www.agp.ru/projects/oil_mon/index.htm
Мониторинг оседания
нефтяного месторождения с помощью системы GPS
Перевод статьи опубликованной в GPS World, Октябрь 2002
Публикуется с разрешения Advanstar Communications Inc
859 Willamette Street, Eugene, Oregon 97401-6806, USA
Tel: +(541) 343-1200
Fax: +(541) 984-5333
E-mail:
Перевод выполнен "Навгеоком" © 2003
Авторы: David
Rutledge, Curtis Henderson, Roy Koerner, Benjamin Remondi
Департамент нефтяного хозяйства
Лонг-Бич в настоящее время заменил традиционные методы геометрического
нивелирования на методы сбора информации с помощью GPS. Эта замена позволила
уменьшить время сбора данных и обеспечила поступление более своевременной
информации для прогнозирования и мониторинга любых эффектов деформации.
Уилмингтонское нефтяное месторождение
находится в южной части Лос-Анджелесского бассейна. По оценке совокупной и
предельной добычи это месторождение нефти второе по величине в Калифорнии и
является одним из крупнейших в Соединенных Штатах. Город Лонг-Бич расположен
над этим месторождением нефти, поэтому в 1937 году он стал первым городом, в
котором нефтяные скважины были установлены на землях, затопляемыми во время
прилива. Это один из немногих городов, в муниципалитете которого имеется отдел,
занимающийся деятельностью, связанной с нефтью. Департамент нефтяного хозяйства
(DOP) Лонг-Бич ответственен за управление всеми контрактами, арендными
договорами и соглашениями, которые относятся к нефтяному имуществу, а также
служит для управления всеми действиями по контролю над оседанием грунта.
Из-за извлечения больших количеств нефти
и воды из относительно мелких, неуплотненных нефтяных бассейнов (начавшегося в
1932 году), области смежные с Уилмингтонским месторождением нефти начали
опускаться вскоре после того, как началась добыча нефти. С начала 1940-х и до
конца 1950-х годов месторождение нефти испытало необычно большое опускание, в
некоторых областях достигая 9 метров. Так как большинство областей Лонг-Бич
были ненамного выше уровня моря до того, как началась добыча нефти, дальнейшее
оседание угрожало наводнением города Лонг-Бич и порта Лонг-Бич. Горизонтальные
поверхностные смещения (превышающие 3 метра), сопровождающие вертикальное
понижение причиняли значительный ущерб существующим строениям, нефтяным
скважинам, трубопроводам, шоссе и объектам ВМФ США.
Инженеры, геологи и другие специалисты
пришли к выводу, что самый практичный способ остановить оседание почвы состоял
в закачке большого количества воды в месторождение нефти для увеличения
порового давления в нефтяных пластах. Активное управление оседанием почвы
оказалось успешным и с конца 1960-х годов территория Лонг-Бич испытывала только
минимальную деформацию.
Программа контроля
Регулярные исследования деформации
начались в области гавани Лонг-Бич в 1945 г. В 1950-х Лонг-Бич начал
агрессивную компанию по остановке опускания грунта. Недавно в сотрудничестве с
компанией Condor Earth
Technologies, городское управление изменило программу контроля с метода
геометрического нивелирования первого и второго разряда на высокоточный
контроль данных при помощи GPS в реальном времени. Это изменение уменьшило
время сбора данных и их обработки и позволило давать своевременную информацию о
проседании почвы, которую инженеры могут использовать, чтобы предсказать
тенденции в деформации по всей территории Лонг-Бич.
Программа контроля за оседанием
месторождения нефти состоит из установки постоянно действующих станций GPS, а
также из происходящего два раза в год комплекса GPS измерений. Производство GPS
наблюдений значительно сокращает время полевого сбора данных и их обработки в
офисе по сравнению с традиционной процедурой геометрического нивелирования.
Использование базовых станций GPS дают нам измерения с более высокой точностью
чем ранее, при этом они становятся доступны и в режиме реального времени. Объединенные
с данными передвижных GPS приемников, эти измерения помогают городу Лонг-Бич
оптимизировать его программу стабилизации опускания территории при продолжении
развития добычи нефти.
Опускание месторождения нефти
В 1911 г. был основал город Лонг-Бич.
Штат Калифорния предоставил ему статус одного из городов океанского побережья с
затопляемыми во время прилива землями, определенными как земля с береговой
линией на уровне моря на расстоянии трех миль от берега. В 1931 году было
обнаружено Уилмингтонское месторождение нефти.
В 1939 г. департамент гавани Лонг-Бич
создал нефтяной отдел для обеспечения технической помощи и консультаций по
проблемам связанным с добычей нефти.
Кроме того, была выбрана компания по
разработке нефтяного месторождения Лонг-Бич (LBOD) - консорциум, состоящий из
компаний Signal Oil, Hancock Oil и Standard Oil - первого
нефтяного подрядчика для деятельности в западной части Уилмингтонского
месторождения нефти. Оседание грунта, связанное с добычей нефти, быстро стало
серьезной проблемой для города, поскольку область залегания нефти расположена
ниже Лос-Анджелесской территории гавани и собственно города. Приглашенные
технические консультанты, нанятые администрацией города, ВМФ США и компании Southern
California Edison заключили, что изъятие жидкостей из нефтяных бассейнов и
последовательное понижение давления в пределах этих зон привело к уплотнению
нефтесодержащих песков, алевритов и сланцев. В течение первых лет добычи, нормы
проседания грунта были пропорциональны изъятию жидкости; на сколько больше
жидкости было извлечено, на столько же больше просела земля. Эффект оседания
был велик, поскольку город Лонг-Бич расположен непосредственно над
месторождением нефти и соседствует с океаном.
Затопление
В 1951 году уровень оседания грунта в
центре области оседания достиг максимума равного 73 см в год, а совокупное
оседание месторождения нефти достигло 4.5 метров. В последующем скорость
оседания несколько понизилась. К 1952 году высота основания морской верфи
опустилась ниже верхнего приливного уровня моря. К 1958 году полная область
затронутая оседанием составила 37 квадратных километров.
В 1952 - 1958 годах в городе была
успешна проведена серия затоплений, заключающаяся в закачке воды в нефтяные
бассейны. Эта технология дала положительные результаты, остановив оседание. К
1967 году программа стабилизировала оседание поверхности. В настоящее время
норма закачки воды - около одного миллиона баррелей воды в день приблизительно
в 600 колодцев. (См. рис 3.)
Сегодня город продолжает контролировать
поверхностную деформацию всего Уилмингтонского месторождения нефти и использует
эту информацию, чтобы установить необходимое количество воды для минимизации
опускания грунта.
Исторические методы cъёмки
За прошедшие годы геодезисты
использовали различные методы определения величины проседания грунта в пределах
бассейнов Уилмингтонского месторождения нефти и прилегающих зонах. Один из
успешных методов определения проседания заключается в точных промерах муфты
обсадной колонны. Он состоит в опускании специального инструмента длиной 1.2
метра, имеющего датчики на обоих концах в производственных отверстиях. Когда
инструмент опущен, датчики определяют местоположение муфт на веренице кожуха.
Поскольку муфты вереницы кожуха после установки расположены на расстоянии 1.2
м, датчики могут определить, расширилась ли впоследствии вереница между муфтами
или сжалась.
Радиоактивные пули
Инженеры Лонг-Бич также использовали
радиоактивные пули при попытке определить количество опускания в пределах
бассейна месторождения. Они стреляли этими пулями в бассейн в определенных
местах, а затем определяли их местонахождение по гамма-излучению, чтобы
увидеть, сжимался или расширился бассейн в период между выстрелами пуль. Этот
метод не пользовался большим успехом в Уилмингтонском месторождении нефти, т.к.
не всегда в последствии можно было определить местонахождение радиоактивных пуль.
Также использовались компактные
регистраторы уплотнения, чтобы определить, было ли проседание в мелких
водоносных слоях, а также приливно-отливные измерительные регистраторы для
определения возвышения приливов относительно береговой линии. В настоящее
время, ни один из этих методов контроля проседания почвы не используется.
Геометрическое нивелирование
Геометрическое нивелирование являлось
основным методом контроля вертикального проседания. С 1953 по 2001 годы,
контроль за проседанием осуществлялся посредством геометрического нивелирования
первого и второго класса. Для этого использовалась сеть состоящая
приблизительно из 350 реперов в городе и 540 реперов в порту. Реперы состояли
из медных оснований, гвоздей и маркировочных знаков, которые были пронумерованы
и легко могли быть найдены. Традиционно, геодезические бригады начинали съемку
проседания грунта в Лонг-Бич с контрольного пункта Национального
географического общества в Лос-Анджелесе с именем “Приливно-отливный 8”,
который выбран из-за его стабильности и его близости к приливно-отливной
станции в Сан Педро.
Геодезические бригады для
геометрического нивелирования использовали дифференциальную нивелирную технику,
при применении которой, электронный нивелир соединён с компьютером и в цифровой
форме делает запись комбинации одно и двух уровневых нивелирных ходов. Этот
метод обеспечивал хорошие результаты, но был весьма трудоемким.
Нивелирование с использованием GPS
В середине 1990-х годов в городе начали
проводить небольшую сессию GPS измерений (совместно с геометрическим
нивелированием), которая использовала 29 реперов, расположенных в области порта
и центре города и семь GPS станций контроля. Осенью 2001 года, город Лонг-Бич и
компания Condor начали менять акцент исследований от обычного геометрического
нивелирования к GPS нивелированию. Чтобы сделать этот переход и обеспечить
связь с данными традиционного геометрического нивелирования, необходимо было
точно установить различие между относительными ортометрическими высотами,
полученными из геометрического нивелирования и эллипсоидальными высотами,
полученными с помощью GPS. Различие - геоидальная высота, обеспечивающая единый
механизм, который позволяет делать преобразование определённых GPS
относительных эллипсоидальных высот к эквивалентным относительным
ортометрическим высотам.
Мы провели работы по геометрическому
нивелированию и GPS съемку в ноябре 2001 года. Работы заключались в
нивелировании и GPS измерениях приблизительно 45 реперов примерно в одно и тоже
время. Было важно сделать GPS измерения в каждом пункте в течение недели. Если
бы измерения сильно не совпадали по времени, в ошибки собственно измерений были
бы включены ошибки продолжающегося оседания.
Преимущества проведения совместного
нивелирования и GPS съёмки:
На выбор стратегии GPS измерений
повлияла требуемая точность, плотность/распределение реперов, стоимость,
точность нивелирования и доступность участков. Городское управление и компания Condor
согласились заранее, что точность GPS измерений должна соответствовать точности
установленных уровней первого и второго класса нивелирования (от нескольких
миллиметров до двух сантиметрам по высоте).
GPS в режиме псевдокинематика
Мы решили, что псевдокинематические (PK)
измерения GPS будут наилучшей методикой по соотношению производительности и
точности. Технология PK предусматривает выполнение периодических, достаточно
коротких сеансов GPS наблюдений через определенное время. Этот метод был
разработан в конце 1980-ых годов как средство увеличения производительности измерений
GPS. Геодезисты выполняли измерения на каждом из этих 44 реперов в течение
одного часа, по три раза в день. Измерения для любого из этих реперов были
организованы так, чтобы первое измерение было сделано в начале дня, второе - в
середине дня и третье измерение - в конце рабочего дня (чтобы расширить
устойчивость результата от влияния геометрического фактора спутникового
созвездия).
Эти многократные наблюдения дали нам три
отдельных и независимых измерения для каждого репера (в противоположность только
одному измерению в режиме статики). Мы установили три базовые станции GPS для
обеспечения контроля измерений. Также мы установили приёмник GPS на
историческую отправную точку геометрического нивелирования в Лонг-Бич, пункт
“Приливно-отливный 8”. Помимо этого, мы инсталлировали две временных базовые
станции LBCX и LBCY для создания трех опорных точек, чтобы сформировать базовые
линии к каждому реперу. В итоге, общее количество базовых линий составило:
независимых – 9, зависимых – 3 для каждого репера.
Набор данных
Чтобы оценить качество соответствующего
набора данных GPS в целом, мы сначала взяли стандартные отклонения (1 сигма) из
решений по девяти независимым базовым линиям и трем зависимым базовым линиям
для каждого репера. После этого мы взяли среднее из всех 44 стандартных
отклонений (от 44 реперов) для каждого из этих трех компонентов. Таблица 1
показывает полученные стандартные отклонения наряду с максимальными и
минимальными стандартными отклонениями (длины базовых линий от 1 километра до
14.5 километров).
Усредненная величина всех 44
вертикальных стандартных отклонений - приблизительно 5.3 миллиметра.
Максимальное стандартное отклонение составило 12.4 миллиметра (репер 1701),
минимальное стандартное отклонение равно 0.55 миллиметрам (репер LBCY).
Таблица 1
|
|
Среднее отклонение (1 сигма), м |
Максимальное значение, м |
Минимальное значение, м |
|
Высота |
0.0053 |
0.0124 |
0.0006 |
|
Широта |
0.0023 |
0.0084 |
0.0002 |
|
Долгота |
0.0020 |
0.0077 |
0.0000 |
Новая система
Основываясь на значении среднего из
вертикальных стандартных отклонений (5.3 мм) для всего набора данных, мы пришли
к выводу, что можно успешно заменить геометрическое нивелирование на GPS. Кроме
того, данные GPS нивелирования наряду с соответствующими данными
геометрического нивелирования позволили проверить точность существующего геоида
и разработать новую модель геоида для территории Лонг-Бич. Результатом нашей
работы явилось создание системы, которая позволяет геодезистам производить
измерения GPS и точно преобразовывать их к ортометрическим высотам и легко
связывать их с историческими данными геометрического нивелирования. Мобильная
съёмка GPS, применяемая в настоящее время, сокращает время полевых измерений от
шести недель до трех, а время обработки в офисе от четырех недель до одной.
Городские геодезисты теперь проверяют примерно 200 реперов с применением GPS
аппаратуры два раза в год для составления всестороннего представления о любой
деформации.
Развитие сети
Поскольку GPS съёмка проводится два раза
в год, мы решили усилить программу контроля деформации, установив сеть из
приблизительно 12-ти постоянных непрерывно действующих станций GPS в городе и
областях порта. Эти постоянные станции используют радио телеметрию, чтобы
послать сырые данные GPS на компьютер, расположенный в здании муниципалитета
Лонг-Бич. Программное обеспечение обработки GPS данных в реальном времени
обрабатывает эти данные в режиме реального времени и обеспечивают город данными
через внутреннюю городскую сеть Интранет. Эти данные обновляются в реальном
времени с помощью специализированного ПО каждые 500 секунд и обеспечивают
защищенный многопользовательский доступ о деформации земной поверхности.
Набор 24-часовых файлов автоматически
передается в компьютер, расположенный в Департаменте нефтяного хозяйства.
Система позволяет оператору воспроизводить различные периоды времени для
последующего анализа. Кроме того, мы установили виртуальную частную сеть (VPN),
чтобы рабочая группа города и компании Condor могла в защищенном режиме
получать информацию в любом месте. Связь VPN позволяет зарегистрированным
пользователям полностью управлять системой на расстоянии, получать доступ к
любой информации или файлам и производить изменения конфигурации. Программное
обеспечение обработки данных в реальном времени также позволяет городу
установить пороговый уровень тревоги при передвижении почвы. Если движение
превышает выбранный порог для данной базовой станции GPS, система пошлет
уведомления электронной почтой и на страницу сети, а также может послать сигнал
тревоги через систему диспетчерского контроля и сбора данных (SCADA).
Сеть станций
Установка семи базовых станций GPS была
завершена в мае 2002 года. Из-за сложной геологии и движений пласта
Лос-Анджелесского бассейна, мы использовали все координаты для множества
закреплённых участков в соответствии с ITRF (координаты с компонентами
скорости). Обновление координат для каждой базовой GPS станции происходит, по
крайней мере, раз в год, для компенсации продолжающейся региональной деформации
в бассейне. Мы определили координаты всех постоянных GPS станций относительно
системы постоянно действующих GPS базовых станций (CORS) и Объединённой Сети
GPS Южной Калифорнии (SCIGN).
Использование координат ITRF и их связь
с высокоточными CORS и GPS сетями позволило создать сеть GPS станций, которые
могут обеспечить точную информацию о деформациях Уилмингтонского месторождения
нефти, даже в случае перемещений, не связанных с производством нефти. Ежегодные
сдвиги, уникальные для каждой установленной станции, периодически изменяют
координаты базовой станции. Это обстоятельство позволяет установить
относительную деформацию, вызванную региональной деформацией и предоставляет
собой мощную систему контроля в реальном времени для работы в среде, испытывающей
как региональную плито-тектоническую, так и местную деформацию месторождения
нефти.
Начальные результаты обработки данных в
реальном времени были весьма обнадеживающие. В табл. 2 представлены
статистические данные пяти фиксированных GPS станций. Программное обеспечение
обработки использовало фильтр Калмана с постоянным временем задержки шумового
процесса (или Q) равным 1.0E-13. Статистические данные в табл. 2 - вертикальные
стандартные отклонения (1 сигма) взятые из 24-часовых
наборов данных в течение десяти последовательных дней, представленные в метрах.
Таблица 2
|
|
WELL |
CHRY |
HNJN |
PIER |
KIOS |
|
День 235 |
0.0030 |
0.0031 |
0.0028 |
0.0014 |
0.0013 |
|
День 236 |
0.0011 |
0.0018 |
0.0040 |
0.0011 |
0.0019 |
|
День 237 |
0.0017 |
0.0011 |
0.0008 |
0.0010 |
0.0018 |
|
День 238 |
0.0012 |
0.0021 |
0.0010 |
0.0008 |
0.0024 |
|
День 239 |
0.0017 |
0.0007 |
0.0009 |
0.0012 |
0.0010 |
|
День 240 |
0.0009 |
0.0009 |
0.0010 |
0.0014 |
0.0020 |
|
День 241 |
0.0018 |
0.0009 |
0.0014 |
0.0008 |
0.0018 |
|
День 242 |
0.0016 |
0.0009 |
0.0012 |
0.0015 |
0.0017 |
|
День 243 |
0.0010 |
0.0018 |
0.0010 |
0.0012 |
0.0013 |
|
День 244 |
0.0017 |
0.0010 |
0.0014 |
0.0013 |
0.0018 |
|
Длина базовой линии, км |
15.87 |
12.38 |
8.38 |
8.85 |
10.69 |
|
Среднее |
0.00157 |
0.00143 |
0.00155 |
0.00117 |
0.00170 |
Постоянная Сеть
Постоянно действующие GPS станции дают
высокоточную информацию в реальном времени о проседании грунта для предсказания
деформаций а всей территории Лонг-Бич. Дополнительно, постоянная сеть GPS
обеспечивает поддержку мобильных GPS измерений. Во-первых, длины базовых
векторов будут короче, потому что геодезисты теперь смогут использовать новую
постоянно действующую GPS сеть горизонтальных и вертикальных станций контроля.
Это обеспечит большую точность, т. к. точность GPS напрямую зависит от длины
базовых линий. Во-вторых, наличие базовых GPS станций частично устранит
потребность в геодезистах для установки временных базовых GPS станции в каждой
полугодовой кампании GPS измерений. Это не только экономит рабочую силу, но и
уменьшает возможность ошибок установки.
Заключение
Использование GPS систем позволяет
надежно конвертировать полученные с помощью GPS эллипсоидальные высоты к
ортометрическим высотам и наоборот, и достигать отличных результатов мобильной
GPS съёмки (высотной составляющей!) в периоды исследований. Можно уверенно
сказать, что мы можем проводить дважды в год постоянную серию GPS измерений,
которая позволяет собрать данные приблизительно от 200 реперов. Подобная
процедура занимает приблизительно в два раза меньше того времени, которое
уходит на традиционное геометрическое нивелирование при аналогичном обеспечении
всесторонними данными. Комбинация мобильных измерений GPS и сети базовых
станций обеспечивает город информацией, необходимой для полной оценки
деформационных процессов на Уилмингтонском месторождении нефти.
Производители
Департамент нефтяного хозяйства Лонг-Бич
использует двухчастотные GPS приемники Trimble
5700. Для обработки данных GPS в реальном времени от постоянных базовых
станций используется программное обеспечение 3D Tracker компании Condor Earth Technologies.
Компания Condor обеспечила профессиональную помощь городскому управлению
в течение перехода от геометрического нивелирования к GPS нивелированию и
обеспечила всю интеграцию системы, связанную с базовыми GPS станциями.