RU2517964C2 - Method to define three components of earth surface displacement vector at oil and gas field exploration - Google Patents

Abstract

FIELD: instrumentation.

SUBSTANCE: invention relates to surveying and geodetic monitoring and can be used to ensure safety of oil and gas field exploration. As per the proposed method the geodetic measurements are carried out in the examined area and displacements N_geod of geodetic becnhmarks to the north $$U_i^n,$$

east $$U_i^e$$

and vertically $$U_i^v$$

(i=1, 2,…, N_geod) are determined. For the same time interval the displacements N_sat of steadily reflecting grounds in direction of a satellite $$U_j^{LOS}$$

(j=1, 2,…, N_sat) are determined with the help of radar satellite interferometry. Afterwards the explored field is divided into K elementary volumes. The following is calculated: the displacements in the point of the j steadily reflecting ground in the direction of a satellite $$V_{j,k}^{LOS}$$

which are resulting from the increase of pressure on a unit in the k elementary volume, and displacements in the point of i geodetic benchmark respectively to the north, east and vertically $$V_{i,k}^n,$$

$$V_{i,k}^e,$$

$$V_{i,k}^v,$$

which are resulting from the increase of pressure on a unit in the k elementary volume. Pressure difference ΔP_k is defined in each volume. Afterwards three components of earth surface displacement vector are determined.

EFFECT: higher accuracy of determination of earth surface displacement.

4 dwg

Description

Изобретение относится к области маркшейдерско-геодезического мониторинга областей разработки месторождений полезных ископаемых, в том числе месторождений нефти и газа и может быть использовано в целях обеспечения безопасности их разработки, а также для изучения строения и динамики месторождений и повышения извлекаемости запасов.The invention relates to the field of surveying and geodetic monitoring of areas of development of mineral deposits, including oil and gas fields and can be used to ensure the safety of their development, as well as to study the structure and dynamics of deposits and increase the recoverability of reserves.

Известен способ идентификации зон потенциальной аварийности сооружений, при котором проводятся повторные геодезические наблюдения в наблюдательных пунктах, расстояние между которыми не превосходит 250 м, с интервалом не реже двух раз в год, а затем рассчитывают региональные напряжения по формулам для прямоугольной зоны смещений в упругом полупространстве (патент RU № 2206908, G01V 9/00, 2002).There is a method for identifying areas of potential accident rates of structures, in which repeated geodetic observations are made at observation points, the distance between which does not exceed 250 m, with an interval of at least two times a year, and then regional stresses are calculated using the formulas for the rectangular displacement zone in the elastic half-space ( RU patent No. 2206908, G01V 9/00, 2002).

Недостатком этого способа, как и всех наземных методов, является большая трудоемкость и затраты при относительно малом количестве и плотности реперов, на которых проводятся повторные наблюдения.The disadvantage of this method, like all ground-based methods, is the high complexity and cost with a relatively small number and density of benchmarks, which are repeated observations.

Известен способ, включающий радиолокационное космическое зондирование земной поверхности с помощью установленного на космическом аппарате радиолокационного интерферометра, при этом предварительно выявляют опасные в карстовом и оползневом отношениях зондируемые районы, создают цифровые матрицы рельефа, почвенного контроля и полей когерентности на выявленные опасные районы, выделяют внутри выявленных опасных районов активные участки и фиксируют на них изменения рельефа, после чего по периметру и в центральной зоне этих участков производят определенным образом установку и закрепление на жестком связанном с грунтом основании пассивных искусственных 2 отражателей радиолокационного сигнала и выполняют периодический контроль изменений положения отражателей и рельефа почвенного покрова участков (патент RU № 2333506, G01S 5/02, 2007).A known method, including radar space sounding of the earth’s surface using a radar interferometer installed on the spacecraft, is used to pre-detect probed areas that are dangerous in karst and landslide relations, create digital relief, soil control and coherence fields matrices for the identified hazardous areas, and identify inside the identified hazardous areas active areas and record changes in relief on them, after which along the perimeter and in the central zone of these areas about in a certain way they install and fix passive artificial 2 reflectors of a radar signal on a rigid ground base and perform periodic monitoring of changes in the position of the reflectors and the topography of the soil cover (patent RU No. 2333506, G01S 5/02, 2007).

Недостатком способа является то, что в нем определяются смещения на спутник, а истинное направление смещений и его величина не оцениваются.The disadvantage of this method is that it determines the displacement to the satellite, and the true direction of the displacements and its magnitude are not evaluated.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ мониторинга смещений земной поверхности и деформаций сооружений на территории месторождений полезных ископаемых, включающий радиолокационное космическое зондирование отражателей радиолокационного сигнала на земной поверхности на упомянутой территории, передачу полученных результатов в центр обработки, вычисление цифрового поля смещений земной поверхности с помощью дифференциальной интерферометрической обработки радиолокационных данных, калибровку полученного цифрового поля смещений земной поверхности, пространственное сопоставление разнородных данных с откалиброванным полем смещений земной поверхности, при этом плотность размещения искусственных отражателей радиолокационного сигнала выбирают не менее одного искусственного отражателя на площадь одного кадра радиолокационного космического зондирования (патент RU № 2446411, G01S 5/02, 2009).Closest to the technical nature of the present invention is a method for monitoring displacements of the earth’s surface and deformations of structures in the territory of mineral deposits, including radar space sensing of reflectors of a radar signal on the earth’s surface in the said territory, transmitting the results to a processing center, calculating the digital field of displacements of the earth’s surface using differential interferometric processing of radar data, potassium a brow of the obtained digital field of displacements of the earth's surface, spatial comparison of heterogeneous data with a calibrated field of displacements of the earth's surface, while the density of the artificial reflectors of the radar signal is selected at least one artificial reflector per area of one frame of radar space sensing (patent RU No. 2446411, G01S 5/02 , 2009).

Недостатком данного способа является низкая точность определения смещения земной поверхности, поскольку по данным радарной интерферометрии определяются только смещения на спутник, которые существенно меньше истинных смещений. Три компоненты вектора смещений не определяются, поэтому не могут быть оценены горизонтальные и вертикальные смещения. Это приводит к пропуску опасных деформаций.The disadvantage of this method is the low accuracy of determining the displacement of the earth's surface, since according to radar interferometry only displacements to the satellite are determined, which are significantly less than the true displacements. The three components of the displacement vector are not determined; therefore, horizontal and vertical displacements cannot be estimated. This leads to the passage of dangerous deformations.

Предлагаемым изобретением решается задача повышения уровня безопасности и снижения рисков при разработке нефтяных и газовых месторождений и задача оптимальной разработки месторождений. Техническим результатом является повышение точности определения смещений земной поверхности в областях разработки нефтяных и газовых месторождений путем определения истинного направления и величины вектора смещений.The present invention solves the problem of increasing the level of safety and reducing risks in the development of oil and gas fields and the task of optimal field development. The technical result is to increase the accuracy of determining the displacements of the earth's surface in the areas of development of oil and gas fields by determining the true direction and magnitude of the displacement vector.

Технический результат достигается в способе определения трех компонент вектора смещений земной поверхности при разработке нефтяных и газовых месторождений, включающем проведение на исследуемой территории геодезических измерений, определение смещений N_geod геодезических реперов на север $$U_i^n$$

, восток $$U_i^e$$

и по вертикали $$U_i^v$$

(i=1, 2,..., N_geod) и определение смещений N_sat устойчиво отражающих площадок в направлении на спутник $$U_j^{LOS}$$

(j=1, 2,..., N_sat) с помощью радарной спутниковой интерферометрии за один и тот же интервал времени, разбивку разрабатываемого месторождения на K элементарных объемов, расчет смещений в точке j-й устойчиво отражающей площадки в направлении на спутник $$V_{j,k}^{LOS}$$

, которые возникают в результате увеличения давления на единицу в k-м элементарном объеме, расчет смещений в точке i-го геодезического репера соответственно на север, восток и по вертикали $$V_{i,k}^n$$ , $$V_{i,k}^e$$

и $$V_{i,k}^v$$

, которые возникают в результате увеличения давления на единицу в k-м элементарном объеме, и определение в каждом объеме изменения давления ΔP_k за этот же интервал времени путем решения системы уравнений, имеющей вид:The technical result is achieved in a method for determining the three components of the displacement vector of the earth’s surface during the development of oil and gas fields, including geodetic measurements in the study area, determination of the displacements of N _geod geodetic benchmarks to the north $$U_i^n$$

east $$U_i^e$$

and vertically $$U_i^v$$

(i = 1, 2, ..., N _geod ) and determination of the displacements N _{sat of} stably reflecting sites in the direction to the satellite $$U_j^{LOS}$$

(j = 1, 2, ..., N _sat ) using radar satellite interferometry for the same time interval, a breakdown of the field being developed into K elementary volumes, calculation of displacements at the point of the jth stably reflecting site towards the satellite $$V_{j,k}^{LOS}$$

that arise as a result of an increase in pressure per unit in the k-th elementary volume, the calculation of displacements at the point of the i-th geodetic reference point to the north, east, and vertical, respectively $$V_{i,k}^n$$ , $$V_{i,k}^e$$

and $$V_{i,k}^v$$

that arise as a result of an increase in pressure per unit in the k-th elementary volume, and determination in each volume of the pressure change ΔP _k for the same time interval by solving a system of equations of the form:

$$\{\begin{array}{c}{U}_j^{LOS}={\displaystyle \sum _{k=1}^K{V}_{j,k}^{LOS}}\Delta P_k\\ U_i^n={\displaystyle \sum _{k=1}^K{V}_{i,k}^n}\Delta P_k\\ U_i^e={\displaystyle \sum _{k=1}^K{V}_{i,k}^e}\Delta P_k\\ U_i^v={\displaystyle \sum _{k=1}^K{V}_{i,k}^v}\Delta P_k\end{array}$$

$$\{\begin{array}{c}{U}_j^{LOS}={\displaystyle \sum _{k=\mathrm{one}}^K{V}_{j,k}^{LOS}}\Delta P_k\\ U_i^n={\displaystyle \sum _{k=\mathrm{one}}^K{V}_{i,k}^n}\Delta P_k\\ U_i^e={\displaystyle \sum _{k=\mathrm{one}}^K{V}_{i,k}^e}\Delta P_k\\ U_i^v={\displaystyle \sum _{k=\mathrm{one}}^K{V}_{i,k}^v}\Delta P_k\end{array}$$

и определение трех компонент вектора смещений земной поверхности из соотношений:and determining the three components of the displacement vector of the earth's surface from the relations:

$$U_s^n={\displaystyle \sum _{k=1}^K{V}_{s,k}^n}\Delta P_k$$

, $$U_s^e={\displaystyle \sum _{k=1}^K{V}_{s,k}^e}\Delta P_k$$

, $$U_s^v={\displaystyle \sum _{k=1}^K{V}_{s,k}^v}\Delta P_k$$

, $$U_s^n={\displaystyle \sum _{k=\mathrm{one}}^K{V}_{s,k}^n}\Delta P_k$$

, $$U_s^e={\displaystyle \sum _{k=\mathrm{one}}^K{V}_{s,k}^e}\Delta P_k$$

, $$U_s^v={\displaystyle \sum _{k=\mathrm{one}}^K{V}_{s,k}^v}\Delta P_k$$

,

где $$U_s^n$$

, $$U_s^e$$

, $$U_s^v$$

- смещения земной поверхности соответственно на север, восток и по вертикали в выбранной точке земной поверхности s, $$V_{s,k}^n$$

, $$V_{s,k}^e$$

, $$V_{s,k}^v$$

- смещения земной поверхности соответственно на север, восток и по вертикали в той же точке s, которые возникают в результате увеличения давления на единицу в k-м элементарном объеме, ΔP_k - изменение давления в k-м элементарном объеме.Where $$U_s^n$$

, $$U_s^e$$

, $$U_s^v$$

- displacements of the earth's surface, respectively, north, east and vertically at a selected point on the earth's surface s, $$V_{s,k}^n$$

, $$V_{s,k}^e$$

, $$V_{s,k}^v$$

are the displacements of the earth’s surface to the north, east, and vertically at the same point s, which arise as a result of an increase in pressure per unit in the kth elementary volume, ΔP _k is the change in pressure in the kth elementary volume.

Отличительными признаками предлагаемого способа определения трех компонент вектора смещений земной поверхности при разработке нефтяных и газовых месторождений являются определение за один и тот же интервал времени смещений геодезических реперов на север $$U_i^n$$

, восток $$U_i^e$$

, по вертикали $$U_i^v$$

и смещений устойчиво отражающих площадок в направлении на спутник $$U_j^{LOS}$$

, разбивка разрабатываемого месторождения на K элементарных объемов, расчет смещений в точке j-й устойчиво отражающей площадки в направлении на спутник $$V_{j,k}^{LOS}$$

, которые возникают в результате увеличения давления на единицу в k-м элементарном объеме, расчет смещений в точке i-го геодезического репера соответственно на север, восток и по вертикали $$V_{i,k}^n$$ , $$V_{i,k}^e$$

и $$V_{i,k}^v$$

, которые возникают в результате увеличения давления на единицу в k-м элементарном объеме, и определение в каждом объеме изменения давления ΔP_k за этот же интервал времени путем решения вышеуказанной системы уравнений, определение трех компонент вектора смещений земной поверхности из вышеприведенных соотношений.Distinctive features of the proposed method for determining the three components of the displacement vector of the Earth’s surface during the development of oil and gas fields are the determination of the displacements of geodetic benchmarks to the north for the same time interval $$U_i^n$$

east $$U_i^e$$

, vertically $$U_i^v$$

and offsets of stably reflecting sites towards the satellite $$U_j^{LOS}$$

, a breakdown of the developed field into K elementary volumes, calculation of displacements at the point of the jth stably reflecting site in the direction of the satellite $$V_{j,k}^{LOS}$$

that arise as a result of an increase in pressure per unit in the k-th elementary volume, the calculation of displacements at the point of the i-th geodetic reference point to the north, east, and vertical, respectively $$V_{i,k}^n$$ , $$V_{i,k}^e$$

and $$V_{i,k}^v$$

that arise as a result of an increase in pressure per unit in the k-th elementary volume, and determination in each volume of the pressure change ΔP _k for the same time interval by solving the above system of equations, determination of the three components of the displacement vector of the earth's surface from the above relations.

Смещения устойчиво отражающих площадок, определяемые по данным радарной спутниковой интерферометрии, являются проекцией полного вектора смещений на направление на спутник $$U_j^{LOS}$$

, поэтому эти данные не чувствительны к смещениям параллельно орбите спутника. Проекция вектора $$U_j^{LOS}$$

всегда меньше истинной величины смещений.The displacements of stably reflecting areas, determined by radar satellite interferometry, are the projection of the total displacement vector in the direction to the satellite $$U_j^{LOS}$$

Therefore, these data are not sensitive to displacements parallel to the satellite’s orbit. Vector projection $$U_j^{LOS}$$

always less than the true amount of displacement.

Нельзя считать, что смещение на спутник равно чисто вертикальному смещению и не учитывать горизонтальные смещения. Это приводит к неточной оценке смещений и к пропуску опасных деформаций. Одновременное определение смещений геодезических реперов на север $$U_i^n$$

, восток $$U_i^e$$

, по вертикали $$U_i^v$$

за интервал времени, покрываемый спутниковой съемкой, позволяет исключить неопределенность, связанную со смещениями параллельно орбите, и тем самым повышает точность определения трех компонент вектора смещений.It cannot be assumed that the displacement to the satellite is equal to a purely vertical displacement and not to take horizontal displacements into account. This leads to an inaccurate estimation of displacements and to the passage of dangerous deformations. Simultaneous determination of offsets of geodetic benchmarks to the north $$U_i^n$$

east $$U_i^e$$

, vertically $$U_i^v$$

for the time interval covered by satellite imagery, eliminates the uncertainty associated with displacements parallel to the orbit, and thereby increases the accuracy of determining the three components of the displacement vector.

В процессе эксплуатации нефтяного или газового месторождения происходит изменение давления в пластах, которое приводит к смещениям земной поверхности. Разбивка разрабатываемого месторождения на K элементарных объемов позволяет найти изменения давления ΔP_k в каждом элементарном объеме, соответствующие измеренным смещениям геодезических реперов $$U_i^n$$

, $$U_i^e$$

и $$U_i^v$$

и смещениям в направлении на спутник $$U_j^{LOS}$$

. Найденные изменения давления позволяют определить три компоненты вектора скорости смещений на исследуемой территории разработки месторождения, которые согласуются со спутниковыми и наземными геодезическими данными.During the operation of an oil or gas field, pressure changes in the reservoirs, which leads to displacements of the earth's surface. By dividing the field under development into K elementary volumes, it is possible to find the pressure changes ΔP _k in each elementary volume corresponding to the measured displacements of geodetic benchmarks $$U_i^n$$

, $$U_i^e$$

and $$U_i^v$$

and offsets towards the satellite $$U_j^{LOS}$$

. The found changes in pressure make it possible to determine the three components of the displacement velocity vector in the study area of the field development, which are consistent with satellite and ground-based geodetic data.

Определение трех компонент вектора смещений земной поверхности необходимо для правильной оценки величины смещений. Правильная оценка трех компонент вектора позволяет определять величины деформаций, наклоны и другие характеристики, необходимые для оценки безопасности технологических объектов.The determination of the three components of the displacement vector of the earth's surface is necessary for the correct assessment of the magnitude of the displacements. A correct assessment of the three components of the vector allows you to determine the magnitude of deformations, slopes and other characteristics necessary for assessing the safety of technological objects.

Способ определения трех компонент вектора смещений земной поверхности при разработке нефтяных и газовых месторождений поясняется чертежами, где на фиг. 1 показаны смещения земной поверхности на исследуемой территории в направлении на спутник по данным РСА интерферометрии (а) и рассчитанные по ним вертикальные смещения (б), на фиг.2 - сравнение смещений вдоль двух профилей, проходящих с запада на восток (А) и с севера на юг (Б) (пунктирная линия - U_LOS, сплошная линия - U_z ), на фиг.3 - карты смещений по вертикали - U_z, на восток - U_e и на север - U_n, рассчитанные по смещениям устойчиво отражающих площадок в направлении на спутник U_LOS (стрелками показаны профили, приведенные на фиг.2), на фиг.4 - векторы смещений в горизонтальном направлении (максимальный размер стрелки соответствует скорости 12.4 мм).The method for determining the three components of the displacement vector of the earth’s surface during the development of oil and gas fields is illustrated by the drawings, where in FIG. Figure 1 shows the displacements of the earth's surface in the study area in the direction of the satellite according to SAR interferometry (a) and the calculated vertical displacements (b), figure 2 - comparison of the displacements along two profiles passing from west to east (A) and north to south (B) (dashed line - U _LOS , solid line - U _z ), Fig. 3 - maps of vertical displacements - U _z , east - U _e and north - U _n , calculated from the displacements of stably reflecting sites in the direction of the satellite U _LOS (arrows indicate the profiles shown in figure 2), figure 4 - vectors are offset horizontal direction (maximum arrow size corresponds to a speed of 12.4 mm).

Способ определения трех компонент вектора смещений земной поверхности при разработке нефтяных и газовых месторождений осуществляется следующим образом.The method for determining the three components of the displacement vector of the earth's surface in the development of oil and gas fields is as follows.

На исследуемой территории проводят геодезические измерения и определяют смещения N_geod геодезических реперов на север $$U_i^n$$

, восток $$U_i^e$$

, по вертикали $$U_i^v$$

(i=1, 2,..., N_geod). За тот же интервал времени определяют смещения N_sat устойчиво отражающих площадок в направлении на спутник $$U_j^{LOS}$$

(i=1, 2,..., N_sat) с помощью радарной спутниковой интерферометрии. После чего осуществляют разбивку разрабатываемого месторождения на K элементарных объемов. Рассчитывают смещения в точке j-й устойчиво отражающей площадки в направлении на спутник $$V_{j,k}^{LOS}$$

, которые возникают в результате увеличения давления на единицу в k-м элементарном объеме, и смещения в точке i-го геодезического репера соответственно на север, восток и по вертикали $$V_{i,k}^n$$ , $$V_{i,k}^e$$

и $$V_{i,k}^v$$

, которые возникают в результате увеличения давления на единицу в k-м элементарном объеме. Определяют в каждом объеме изменения давления ΔP_k за этот же интервал времени путем решения системы уравнений, имеющей вид:In the study area, geodetic measurements are carried out and the displacements of N _geod geodetic benchmarks to the north are determined $$U_i^n$$

east $$U_i^e$$

, vertically $$U_i^v$$

(i = 1, 2, ..., N _geod ). For the same time interval, the displacements N _{sat of the} stably reflecting areas in the direction to the satellite are determined $$U_j^{LOS}$$

(i = 1, 2, ..., N _sat ) using radar satellite interferometry. After that, a breakdown of the developed field is carried out into K elementary volumes. The displacements at the point of the jth stably reflecting area in the direction of the satellite are calculated $$V_{j,k}^{LOS}$$

, which arise as a result of an increase in pressure per unit in the k-th elementary volume, and a displacement at the point of the i-th geodetic reference point to the north, east, and vertically, respectively $$V_{i,k}^n$$ , $$V_{i,k}^e$$

and $$V_{i,k}^v$$

that arise as a result of an increase in pressure per unit in the kth elementary volume. In each volume, the pressure changes ΔP _{k are} determined for the same time interval by solving a system of equations having the form:

$$\{\begin{array}{c}{U}_j^{LOS}={\displaystyle \sum _{k=1}^K{V}_{j,k}^{LOS}}\Delta P_k\\ U_i^n={\displaystyle \sum _{k=1}^K{V}_{i,k}^n}\Delta P_k\\ U_i^e={\displaystyle \sum _{k=1}^K{V}_{i,k}^e}\Delta P_k\\ U_i^v={\displaystyle \sum _{k=1}^K{V}_{i,k}^v}\Delta P_k\end{array}$$

$$\{\begin{array}{c}{U}_j^{LOS}={\displaystyle \sum _{k=\mathrm{one}}^K{V}_{j,k}^{LOS}}\Delta P_k\\ U_i^n={\displaystyle \sum _{k=\mathrm{one}}^K{V}_{i,k}^n}\Delta P_k\\ U_i^e={\displaystyle \sum _{k=\mathrm{one}}^K{V}_{i,k}^e}\Delta P_k\\ U_i^v={\displaystyle \sum _{k=\mathrm{one}}^K{V}_{i,k}^v}\Delta P_k\end{array}$$

После чего определяют три компоненты вектора смещений земной поверхности из соотношений:After that, three components of the displacement vector of the earth's surface are determined from the relations:

$$U_s^n={\displaystyle \sum _{k=1}^K{V}_{s,k}^n}\Delta P_k$$

, $$U_s^e={\displaystyle \sum _{k=1}^K{V}_{s,k}^e}\Delta P_k$$

, $$U_s^v={\displaystyle \sum _{k=1}^K{V}_{s,k}^v}\Delta P_k$$

, $$U_s^n={\displaystyle \sum _{k=\mathrm{one}}^K{V}_{s,k}^n}\Delta P_k$$

, $$U_s^e={\displaystyle \sum _{k=\mathrm{one}}^K{V}_{s,k}^e}\Delta P_k$$

, $$U_s^v={\displaystyle \sum _{k=\mathrm{one}}^K{V}_{s,k}^v}\Delta P_k$$

,

где $$U_s^n$$

, $$U_s^e$$

, $$U_s^v$$

- смещения земной поверхности соответственно на север, восток и по вертикали в выбранной точке земной поверхности s, $$V_{s,k}^n$$

, $$V_{s,k}^e$$

, $$V_{s,k}^v$$

- смещения земной поверхности соответственно на север, восток и по вертикали в той же точке s, которые возникают в результате увеличения давления на единицу в k-м элементарном объеме, ΔP_k - изменение давления в k-м элементарном объеме.Where $$U_s^n$$

, $$U_s^e$$

, $$U_s^v$$

- displacements of the earth's surface, respectively, north, east and vertically at a selected point on the earth's surface s, $$V_{s,k}^n$$

, $$V_{s,k}^e$$

, $$V_{s,k}^v$$

are the displacements of the earth’s surface to the north, east, and vertically at the same point s, which arise as a result of an increase in pressure per unit in the kth elementary volume, ΔP _k is the change in pressure in the kth elementary volume.

Конкретный пример осуществления способа определения трех компонент вектора смещений земной поверхности при разработке нефтяных и газовых месторождений.A specific example of the method for determining the three components of the displacement vector of the earth's surface in the development of oil and gas fields.

Исследуемая территория размером 6.4×11.1 км располагается в пределах Восточно-Европейской платформы, на которой находится разрабатываемое нефтяное месторождение. Территория характеризуется повышенной геодинамической активностью, связанной с техногенными факторами, вызванными длительным процессом разработки нефтяного месторождения. На исследуемой территории были установлены геодезические реперы и определены смещения геодезических реперов по вертикали $$U_i^v$$

путем проведения повторных нивелировок, на север $$U_i^n$$

и восток $$U_i^e$$

методами космической геодезии. В среднем эти смещения за исследуемый интервал времени не превосходили 10 мм. После чего за тот же интервал времени были определены смещения устойчиво отражающих площадок в направлении на спутник $$U_j^{LOS}$$

с помощью радарной спутниковой интерферометрии. Были использованы радарные снимки спутника ENVISAT, предоставленные Европейским космическим агентством. Расчеты были выполнены с применением программного пакета StaMPS. Затем разрабатываемое месторождение разбили на K элементарных объемов. При этом объемы располагались на глубине 0.4 км под устойчиво отражающими площадками. Были произведены расчеты смещений в точке j-й устойчиво отражающей площадки в направлении на спутник (j=1, 2,..., N_sat) $$V_{j,k}^{LOS}$$

, которые возникают в результате увеличения давления на единицу в k-м элементарном объеме. Были рассчитаны смещения в точке i-го геодезического репера (i=1, 2,..., N_geod) соответственно на север, восток и по вертикали $$V_{i,k}^n$$ , $$V_{i,k}^e$$

и $$V_{i,k}^v$$

, которые возникают в результате увеличения давления на единицу в k-м элементарном объеме. Затем в каждом объеме были определены изменения давления ΔP_k за этот же интервал времени путем решения системы уравнений, имеющей вид: The studied territory measuring 6.4 × 11.1 km is located within the East European platform on which the developed oil field is located. The territory is characterized by increased geodynamic activity associated with anthropogenic factors caused by the long process of developing an oil field. On the study area, geodetic benchmarks were established and vertical displacements of geodetic benchmarks were determined $$U_i^v$$

by re-leveling, north $$U_i^n$$

and east $$U_i^e$$

methods of space geodesy. On average, these displacements during the studied time interval did not exceed 10 mm. Then, over the same time interval, the offsets of stably reflecting sites in the direction to the satellite were determined $$U_j^{LOS}$$

using radar satellite interferometry. The radar images of the ENVISAT satellite provided by the European Space Agency were used. The calculations were performed using the StaMPS software package. Then, the developed field was divided into K elementary volumes. Moreover, the volumes were located at a depth of 0.4 km under stably reflecting areas. The displacements were calculated at the point of the jth stably reflecting platform in the direction to the satellite (j = 1, 2, ..., N _sat ) $$V_{j,k}^{LOS}$$

that arise as a result of an increase in pressure per unit in the kth elementary volume. The displacements at the point of the ith geodetic reference point (i = 1, 2, ..., N _geod ) were calculated to the north, east, and vertical, respectively $$V_{i,k}^n$$ , $$V_{i,k}^e$$

and $$V_{i,k}^v$$

that arise as a result of an increase in pressure per unit in the kth elementary volume. Then, in each volume, pressure changes ΔP _k were determined for the same time interval by solving a system of equations having the form:

$$\{\begin{array}{c}{U}_j^{LOS}={\displaystyle \sum _{k=1}^K{V}_{j,k}^{LOS}}\Delta P_k\\ U_i^n={\displaystyle \sum _{k=1}^K{V}_{i,k}^n}\Delta P_k\\ U_i^e={\displaystyle \sum _{k=1}^K{V}_{i,k}^e}\Delta P_k\\ U_i^v={\displaystyle \sum _{k=1}^K{V}_{i,k}^v}\Delta P_k\end{array}$$

$$\{\begin{array}{c}{U}_j^{LOS}={\displaystyle \sum _{k=\mathrm{one}}^K{V}_{j,k}^{LOS}}\Delta P_k\\ U_i^n={\displaystyle \sum _{k=\mathrm{one}}^K{V}_{i,k}^n}\Delta P_k\\ U_i^e={\displaystyle \sum _{k=\mathrm{one}}^K{V}_{i,k}^e}\Delta P_k\\ U_i^v={\displaystyle \sum _{k=\mathrm{one}}^K{V}_{i,k}^v}\Delta P_k\end{array}$$

После чего определяют три компоненты вектора смещений земной поверхности из соотношений:After that, three components of the displacement vector of the earth's surface are determined from the relations:

$$U_s^n={\displaystyle \sum _{k=1}^K{V}_{s,k}^n}\Delta P_k$$

, $$U_s^e={\displaystyle \sum _{k=1}^K{V}_{s,k}^e}\Delta P_k$$

, $$U_s^v={\displaystyle \sum _{k=1}^K{V}_{s,k}^v}\Delta P_k$$

, $$U_s^n={\displaystyle \sum _{k=\mathrm{one}}^K{V}_{s,k}^n}\Delta P_k$$

, $$U_s^e={\displaystyle \sum _{k=\mathrm{one}}^K{V}_{s,k}^e}\Delta P_k$$

, $$U_s^v={\displaystyle \sum _{k=\mathrm{one}}^K{V}_{s,k}^v}\Delta P_k$$

,

где $$U_s^n$$

, $$U_s^e$$

, $$U_s^v$$

- смещения земной поверхности соответственно на север, восток и по вертикали в выбранной точке земной поверхности s, $$V_{s,k}^n$$

, $$V_{s,k}^e$$

, $$V_{s,k}^v$$

- смещения земной поверхности соответственно на север, восток и по вертикали в той же точке s, которые возникают в результате увеличения давления на единицу в k-м элементарном объеме, ΔP_k - изменение давления в k-м элементарном объеме.Where $$U_s^n$$

, $$U_s^e$$

, $$U_s^v$$

- displacements of the earth's surface, respectively, north, east and vertically at a selected point on the earth's surface s, $$V_{s,k}^n$$

, $$V_{s,k}^e$$

, $$V_{s,k}^v$$

are the displacements of the earth’s surface to the north, east, and vertically at the same point s, which arise as a result of an increase in pressure per unit in the kth elementary volume, ΔP _k is the change in pressure in the kth elementary volume.

На фиг.1 показаны смещения в направлении на спутник (а) в области размером 6.4×11.1 км, рассчитанные по данным нисходящего трека спутника Envisat. В смещениях обнаруживается резкая граница между областью движения на спутник и от спутника. Смещения U_LOS были пересчитаны в вертикальные смещения U_z(б). Вертикальные смещения примерно в 1.5 раза больше, чем смещения в направлении на спутник. Это естественно, поскольку вектор всегда больше своей проекции на любое направление.1 shows offsets towards satellite (a) in an area of 6.4 × 11.1 km, calculated from the Envisat satellite downlink. A sharp boundary is found in the displacements between the area of motion towards and away from the satellite. The U _LOS offsets were converted to the vertical offsets U _z (b). Vertical offsets are about 1.5 times larger than offsets toward the satellite. This is natural, since a vector is always larger than its projection in any direction.

На фиг. 2 показаны сравнение смещений в направлении на спутник (пунктирная линия) и по вертикали (сплошная линия) вдоль двух профилей, пересекающих область с запада на восток (А) и с севера на юг (Б). На профиле (А) наблюдается региональный перекос в смещениях на спутник. Это связано с тем, что направление на спутник отклоняется от вертикали в направлении, близком к направлению запад-восток. Значения вертикальной компоненты смещений больше смещений на спутник. На отдельных участках профиля (Б) смещения существенно различаются. Важно, что там, где вертикальное смещение и смещение на спутник существенно различаются, смещения в горизонтальном направлении оказываются большими.In FIG. Figure 2 shows a comparison of offsets in the direction of the satellite (dashed line) and vertically (solid line) along two profiles crossing the region from west to east (A) and from north to south (B). On profile (A), there is a regional bias in offsets to the satellite. This is due to the fact that the direction to the satellite deviates from the vertical in a direction close to the west-east direction. The values of the vertical component of the displacements are greater than the displacements per satellite. In individual sections of profile (B), the displacements differ significantly. It is important that where the vertical displacement and the displacement towards the satellite are significantly different, the displacements in the horizontal direction are large.

Перечисленные различия хорошо видны на фиг.3, на которой приведены смещения на спутник U_LOS, по вертикали U_z, а также на восток U_e и на север U_n. В области, обозначенной на карте вертикальных смещений цифрами 1 и 5, хорошо выделяются зоны погружения, окруженные зонами поднятия. Область поднятия 3 оказывается единой и четко прослеживается через всю карту в направлении на юго-восток. Южнее этой области происходит резкая смена знака движений (цифры 4 и 5). Область просадок 4 занимает обширную площадь и соединяется с областью 5, но в их пределах обнаруживаются локальные поднятия. Карта U_LOS заметно более информативна, чем карта U_z. Многие из перечисленных особенностей трудно проследить по схеме смещений U_LOS.These differences are clearly visible in figure 3, which shows the offset to the satellite U _LOS , vertical U _z , as well as east U _e and north U _n . In the area indicated by the numbers 1 and 5 on the vertical displacement map, the dive zones surrounded by the uplift zones stand out well. Rise area 3 turns out to be unified and can be clearly traced through the entire map in the direction to the southeast. South of this area there is a sharp change in sign of movements (numbers 4 and 5). Drawdown region 4 occupies a vast area and connects to region 5, but local uplifts are found within them. The U _LOS map is noticeably more informative than the U _z map. Many of these features are difficult to trace by the U _LOS bias pattern.

При интерпретации смещений часто смещения U_LOS идентифицируют со смещениями по вертикали. Карты U_e и U_n показывают, что это может приводить к существенным ошибкам. Смещения на восток и на север достигают 10 мм (фиг.3). Там, где смещения по горизонтали резко меняются, возникают существенные напряжения.In interpreting offsets, U _LOS offsets are often identified with vertical offsets. Maps U _e and U _n show that this can lead to significant errors. Offsets east and north reach 10 mm (figure 3). Where horizontal displacements change dramatically, significant stresses arise.

На фиг.4 показаны векторы смещений земной поверхности в горизонтальном направлении, рассчитанные по смещениям на север и восток. Там, где векторы сходятся, происходит сдвижение и поднятие земной поверхности. Там, где векторы расходятся, происходят растяжение и просадки. Эти особенности нельзя определить по карте U_LOS.Figure 4 shows the displacement vectors of the earth's surface in the horizontal direction, calculated from the displacements to the north and east. Where the vectors converge, the earth moves and rises. Where the vectors diverge, stretching and subsidence occur. These features cannot be determined from the U _LOS card.

Предлагаемый способ определения трех компонент вектора смещений земной поверхности при разработке нефтяных и газовых месторождений повышает уровень безопасности, снижает риски при разработке нефтяных и газовых месторождений, позволяет оптимизировать процесс разработки месторождений, повышает точность определения смещений земной поверхности путем определения истинного направления и величины вектора смещений. Совместное использование геодезических и спутниковых данных позволяет проводить мониторинг больших территорий при небольших объемах затрат на наземные геодезические работы, проводить мониторинг труднодоступных территорий. Правильная оценка вертикальных и горизонтальных смещений в областях разработки нефтяных и газовых месторождений, определение деформаций и наклонов позволяют проводить мониторинг опасных процессов и снижать риск техногенных катастроф.The proposed method for determining the three components of the displacement vector of the earth’s surface during the development of oil and gas fields increases the level of safety, reduces risks in the development of oil and gas fields, allows optimizing the development of deposits, improves the accuracy of determining displacements of the earth’s surface by determining the true direction and magnitude of the displacement vector. The joint use of geodetic and satellite data allows monitoring large areas with small amounts of costs for ground-based geodetic works, and monitoring hard-to-reach areas. The correct assessment of vertical and horizontal displacements in the areas of oil and gas field development, the determination of deformations and inclinations allow the monitoring of hazardous processes and reduce the risk of technological disasters.

Claims (1)

Способ определения трех компонент вектора смещений земной поверхности при разработке нефтяных и газовых месторождений, включающий проведение на исследуемой территории геодезических измерений, определение смещений N_geod геодезических реперов на север $$U_i^n$$

, восток $$U_i^e$$

и по вертикали $$U_i^v$$

(i=1, 2,..., N_geod) и определение смещений N_sat устойчиво отражающих площадок в направлении на спутник $$U_j^{LOS}$$

(j=1, 2,..., N_sat) с помощью радарной спутниковой интерферометрии за один и тот же интервал времени, разбивку разрабатываемого месторождения на K элементарных объемов, расчет смещений в точке j-й устойчиво отражающей площадки в направлении на $$V_{j,k}^{LOS}$$

, которые возникают в результате увеличения давления на единицу в k-м элементарном объеме, расчет смещений в точке i-го геодезического репера соответственно на север, восток и по вертикали $$V_{i,k}^n$$ , $$V_{i,k}^e$$

и $$V_{i,k}^v$$

, которые возникают в результате увеличения давления на единицу в k-м элементарном объеме, и определение в каждом объеме изменения давления ΔP_k за этот же интервал времени путем решения системы уравнений, имеющей вид:
$$\{\begin{array}{c}{U}_j^{LOS}={\displaystyle \sum _{k=1}^K{V}_{j,k}^{LOS}}\Delta P_k\\ U_i^n={\displaystyle \sum _{k=1}^K{V}_{i,k}^n}\Delta P_k\\ U_i^e={\displaystyle \sum _{k=1}^K{V}_{i,k}^e}\Delta P_k\\ U_i^v={\displaystyle \sum _{k=1}^K{V}_{i,k}^v}\Delta P_k\end{array}$$

и определение трех компонент вектора смещений земной поверхности из соотношений:
$$U_s^n={\displaystyle \sum _{k=1}^K{V}_{s,k}^n}\Delta P_k$$

, $$U_s^e={\displaystyle \sum _{k=1}^K{V}_{s,k}^e}\Delta P_k$$

, $$U_s^v={\displaystyle \sum _{k=1}^K{V}_{s,k}^v}\Delta P_k$$

,
где $$U_s^n$$

, $$U_s^e$$

, $$U_s^v$$

- смещения земной поверхности соответственно на север, восток и по вертикали в выбранной точке земной поверхности s, $$V_{s,k}^n$$

, $$V_{s,k}^e$$

, $$V_{s,k}^v$$

- смещения земной поверхности соответственно на север, восток и по вертикали в той же точке s, которые возникают в результате увеличения давления на единицу в k-м элементарном объеме, ΔP_k - изменение давления в k-м элементарном объеме. A method for determining the three components of the displacement vector of the earth’s surface during the development of oil and gas fields, including geodetic measurements in the study area, determining the _northward displacements of N _geod geodetic benchmarks $$U_i^n$$

east $$U_i^e$$

and vertically $$U_i^v$$

(i = 1, 2, ..., N _geod ) and determination of the displacements N _{sat of} stably reflecting sites in the direction to the satellite $$U_j^{LOS}$$

(j = 1, 2, ..., N _sat ) using radar satellite interferometry for the same time interval, a breakdown of the developed field into K elementary volumes, calculation of displacements at the point of the jth stably reflecting area in the direction of $$V_{j,k}^{LOS}$$

that arise as a result of an increase in pressure per unit in the k-th elementary volume, the calculation of displacements at the point of the i-th geodetic reference point to the north, east, and vertical, respectively $$V_{i,k}^n$$ , $$V_{i,k}^e$$

and $$V_{i,k}^v$$

that arise as a result of an increase in pressure per unit in the k-th elementary volume, and determination in each volume of the pressure change ΔP _k for the same time interval by solving a system of equations of the form:
$$\{\begin{array}{c}{U}_j^{LOS}={\displaystyle \sum _{k=\mathrm{one}}^K{V}_{j,k}^{LOS}}\Delta P_k\\ U_i^n={\displaystyle \sum _{k=\mathrm{one}}^K{V}_{i,k}^n}\Delta P_k\\ U_i^e={\displaystyle \sum _{k=\mathrm{one}}^K{V}_{i,k}^e}\Delta P_k\\ U_i^v={\displaystyle \sum _{k=\mathrm{one}}^K{V}_{i,k}^v}\Delta P_k\end{array}$$

and determining the three components of the displacement vector of the earth's surface from the relations:
$$U_s^n={\displaystyle \sum _{k=\mathrm{one}}^K{V}_{s,k}^n}\Delta P_k$$

, $$U_s^e={\displaystyle \sum _{k=\mathrm{one}}^K{V}_{s,k}^e}\Delta P_k$$

, $$U_s^v={\displaystyle \sum _{k=\mathrm{one}}^K{V}_{s,k}^v}\Delta P_k$$

,
Where $$U_s^n$$

, $$U_s^e$$

, $$U_s^v$$

- displacements of the earth's surface, respectively, north, east and vertically at a selected point on the earth's surface s, $$V_{s,k}^n$$

, $$V_{s,k}^e$$

, $$V_{s,k}^v$$

are the displacements of the earth’s surface to the north, east, and vertically at the same point s, which arise as a result of an increase in pressure per unit in the kth elementary volume, ΔP _k is the change in pressure in the kth elementary volume.

Images