CC BY
73
УДК 629.783:551.24
К.М. Антонович, А.И. Каленицкий, А.П. Карпик, А.Н. Клепиков СГГ А, Новосибирск
РАЦИОНАЛЬНОЕ ВЫСОКОТОЧНОЕ ПЛАНОВО-ВЫСОТНОЕ ГЕОДЕЗИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ НЕФТЕГАЗОВЫХ ТЕРРИТОРИЙ ЗАПАДНОЙ СИБИРИ
K.M. Antonovich, A.I. Kalenitskiy, A.P. Karpik, A.N. Klepikov Siberian State Academy of Geodesy (SSGA)
10 Plakhotnogo Ul., Novosibirsk, 630108, Russian Federation
EFFECTIVE HIGH PRECISION HORIZONTAL AND VERTICAL GEODETIC NETWORKS FOR WEST SIBERIA OIL-AND-GAS FIELDS
Currently the problem of the effective horizontal and vertical geodetic networks at he West-Siberian oil-and-gas fields became unsatisfactory. That is happened because the national control network points developed former times have been partly missing and significant part of the others have been changed their positions, especially in the heights. Therefore, the GNSS multiple reference station network managed from a single center is offered to design. The network structure and the configuration of stations are described. The approach of virtual reference station (VRS) or area corrections parameters (FKP) is planning to be used for positioning. These approaches will provide the positioning with an accuracy of a centimeter. At each reference station it is necessary to establish the benchmark and gravity station and to tie them by the first order leveling. Furthermore, the gravity with uncertainty as less as 0.005 Mgal should be measured by the absolute gravimeter. The geodetic and gravity monitoring are effective tools to provide besides the information on «quasigeoid», the contours of oil-water contacts, oil-and-gas deposits, as well as on-line assessment of plicative structures stability state and localization of increased hazard industrial zones.
Интенсивное освоение районов крайнего Севера Западной Сибири ведется уже более 40 лет. За это время были открыты сотни нефтяных и газовых месторождений, проложены десятки тысяч километров продуктопроводов, добыто более восьми миллиардов тонн нефти и почти 20 триллионов кубометров газа. Вместе с тем, интенсивное освоение месторождений привело к необходимости решения ряда важнейших задач. В частности, добыча углеводородов с глубины 1700-2500 м при неполной компенсации или перекомпенсации их выемки уже через 10 лет приводит к опасным смещениям, как в геологическом разрезе, так и на поверхности Земли. Разработка законсервированных месторождений с «тонкими» слоями требует достаточно точной высотной привязки устьев скважин. После определенного перерыва повысилась необходимость пополнения запасов углеводородного сырья. Все эти виды работ (геодинамический мониторинг, геологические и геофизические разведочные работы, буровые работы, строительство жилья, дорог и т.д.) невозможны без геопространственных данных. Эти данные должны отвечать требованиям оперативности, надежности и точности.
Активные геодезические сети. Резко возросшие объемы геодезических работ и повышенные требования к их качеству в совокупности с суровыми природными условиями требуют разработки эффективных технологий, основанных на использовании глобальной спутниковой навигационной системы (ГНСС), объединяющей системы ГЛОНАСС и NAVSTAR. При этом необходимо учитывать ряд особенностей конкретных регионов:
- Разреженность сетей Государственных геодезических пунктов и реперов, часть из которых утрачена, а у сохранившихся геодезические центры (особенно у реперов) в условиях вечной мерзлоты выпучены или «провалены» и не обеспечивают точной геодезической привязки;
- Получаемые из спутниковых определений координаты относятся к общеземной системе отсчета. При отсутствии опорных пунктов или их недостатке перевод координат из общеземной системы в систему СК-95 и в различные условные системы координат представляет собой нетривиальную задачу;
- Спутниковые методы дают высоты от поверхности общеземного эллипсоида, для перехода к Балтийской системе нормальных высот БСВ-77 необходимы данные о разности нормальных и геодезических высот;
- Редкая дорожная сеть, неравномерная плотность населенных пунктов, различная степень развития связи (мобильной телефонии, Интернета и др.);
- Высокие широты затрудняют использование стационарных спутников, входящих в состав дифференциальных подсистем и систем связи;
- В высоких широтах возрастает роль спутников системы ГЛОНАСС.
Поэтому, на наш взгляд, в связи с развитием программы ГЛОНАСС и реализацией геодезической части Федеральной целевой программы «Глобальная навигационная система» на территории РФ актуальным становится вопрос создания современной Государственной сети, состоящей из активных опорных станций, снабженных ГНСС приемниками. Для севера Западной Сибири их необходимо дополнять гравиметрической сетью.
Простейшим элементом ГНСС инфраструктуры является одиночная базовая станция. Такая станция с программным обеспечением типа ОРБВаве, может выполнять следующие функции:
- Записывать в компьютер измерения приемника опорной станции для пост-обработки данных передвижного приемника;
- Передавать поправки для кинематики реального времени (КТК), обеспечивающие сантиметровую точность определения координат в области радиусом до 20 км от базовой станции;
- Передавать поправки DGPS, обеспечивающие субметровую точность определения координат в области радиусом до 200 км от базовой станции.
Однако значительно более эффективно работает активная опорная сеть станций, управляемых из одного центра. Такая сеть обеспечивает значительно большее покрытие территории КТК поправками или данными
для пост-обработки. Кроме того, сеть станций позволяет надежно контролировать постоянство координат пунктов сети при длительных периодах наблюдений.
Геодезическая активная опорная сеть включает в себя (рис. 1):
- Постоянно действующие опорные станции, работающие автономно;
- Вычислительный центр;
- Каналы передачи данных между вычислительным центром и опорными станциями и приемниками пользователей;
- Аппаратуру пользователей.
Опорные станции
Высокоскоростные каналы связи
Вычислительный центр
GSM, GPRS^/^ ^'ЧЧч\^Интернет
Пользователи режима Пользователи режима
RTK пост-обработки
Рис. 1. Структура геодезической активной опорной сети
Активная сеть должна состоять не менее чем из 4 станций, равномерно покрывающих нужную территорию. Расстояния между станциями могут быть равны 30-50 км, в отдельных случаях до 80 км (рис. 2).
Активная ГНСС станция состоит из непрерывно наблюдающего приемника сигналов, подаваемых спутниками систем ГЛОНАСС и GPS, компьютера и источника
бесперебойного питания. На станции желательно иметь метеорологическое оборудование, атомный стандарт частоты и систему для удаленного включения и выключения. На месте установки антенны станции должен быть открытый от препятствий горизонт, отсутствовать электромагнитные помехи и мощные источники излучения (ЛЭП, радиостанции и т.п.). Расстояние от антенны до приемника не более 30 м. Станция должна быть защищена от несанкционированного доступа к антенне и приемнику. Помещение, где располагается приемник, должно иметь системы пожарной, аварийной и
Рис. 2. Проект сети активных станций
охранной сигнализации, отопления и кондиционирования. Каждая станция должна иметь все три координаты в системах ITRF, WGS-84, СК-95 и местной системе на сантиметровом уровне точности.
В вычислительном центре производится сбор результатов измерений на опорных станциях, их обработка и архивирование. Здесь же вычисляется информация для пользователей. Центр связан с опорными станциями высокоскоростными каналами связи типа LAN (локальная вычислительная сеть), ISDN (интегрированная цифровая сеть связи). Для передачи данных пользователями центр должен иметь выход в Интернет или в сеть GSM.
На главной станции сети, являющейся вычислительным центром, устанавливается компьютер с программным обеспечением типа Trimble GPSNet или Leica GPS Spider. В технологии фирмы Trimble Navigation реализована концепция виртуальной опорной станции. Полученные со всех станций активной сети данные используются для сетевого решения, уточнения орбит спутников, определения параметров атмосферы и, главное, для генерирования измерений в некоторой точке, координаты которой указываются пользователем. Такая точка (не закрепляемая на местности) выбирается пользователем рядом с его приемником на расстоянии несколько метров. Ее называют виртуальной опорной станцией (VRS). Поскольку расстояние между приемником пользователя и VRS небольшое, то такая базовая линия очень быстро решается в контроллере пользовательского приемника, и его координаты получаются практически в режиме реального времени. Для указания координат VRS и получения сгенерированных наблюдений используется GSM в режиме GPRS. При отсутствии GSM можно производить пост-обработку измерений.
В качестве альтернативы методу VRS применяется также разработанный в Германии метод под названием «FKP» (от немецкого слова «Flachenkorrekturparameter», обозначающего площадные параметры коррекции). Метод FKP был разработан для использования в широковещательном режиме, но в большинстве сетей он используется в двустороннем режиме с GSM и GPRS. Это произошло в основном из-за возможности в технологии VRS автоматического выбора ближайшей базовой станции при работе в больших сетях. Независимо от выбранной технологии VRS или FKP, с помощью сетевого метода можно решать следующие задачи:
- Позиционирование в режиме реального времени, когда возможно достижение качества определения местоположения в пределах 1-3 см в плане и 2-5 см по высоте;
- Позиционирование в режиме реального времени с погрешностью от 0.5 до 3 метров, когда корректирующие поправки передаются в диапазоне УКВ и длинных волн в стандартном формате RTCM;
- Точное и высокоточное позиционирование в режиме пост-обработки данных, когда данные предоставляются пользователям в формате RINEX.
Нивелирные и гравиметрические работы. В связи с утратой на севере Западной Сибири значительного числа центров пунктов плановой опорной
Государственной геодезической сети и реперов Государственной нивелирной сети, а так же значительных смещений их центров, особенно по высоте остро обозначилась проблема восстановления планово-высотной геодезической основы в регионально-территориальном отношении. Создание такой единой и постоянно поддерживаемой сети, - одна из важнейших экономических и инженерных задач. Ее реализация в масштабах государства в ближайшее время не просматривается. Требуется решение проблемы в конкретных регионах или (что наиболее осуществимо организационно) на территориях, активно и централизованно осваиваемых.
Для оперативной реализации программы создания единой пространственно-временной координатно-гравиметрической основы предлагается совмещение с активными станциями ГНСС опорных нивелирных реперов и гравиметрических пунктов (по аналогии с ФАГС). Эти пункты-реперы должны быть связаны единой нивелирной сетью с точностью не ниже нивелирования I класса. На них же абсолютным гравиметром должны быть определены значения силы тяжести с погрешностью не ниже ±0.005 мГал. Периодичность повторных измерений в нормальном режиме - 5 лет, при интенсивных промышленных или природных воздействиях - по усмотрению. Аппаратура (абсолютный гравиметр и высокоточные нивелиры) может быть постоянно задействована при режимных (цикловых) измерениях на геодинамических полигонах, при определении силы тяжести на исходных пунктах и высокоточном нивелировании каркасных реперов, а также марок на важных объектах строительства зданий, сооружений, коммуникаций различного назначения, где ведется деформационный мониторинг состояния устойчивости и промышленной безопасности.
В связи с «закрытостью» гравиметрии до последнего времени требуются определенные пояснения по её возможностям:
- Гравиметрия как один из основных методов геодезии позволяет повысить качество определения высот;
- Гравиметрия как один из ведущих методов разведочной геофизики позволяет решать целый ряд задач геологического картирования, тектонического районирования, поиска и разведки углеводородных, угольных, различных рудных месторождений полезных ископаемых, в том числе позволяет уточнять изменяющиеся при интенсивных разработке месторождения контуры водо-нефтяного контакта, залежей нефти и газа;
- Как метод дифференциального реагирования на неоднородность вещественного состава геологического разреза и его изменения во времени, в плане и по глубине, гравиметрия является одним из наиболее разрешающих методов при решении как региональных, так и локальных задач. Она обеспечивает оперативную (с первого цикла режимных высокоточных измерений при изучении локальной геодинамики) оценку состояния устойчивости пликативных структур, блоков горных пород при интенсивном извлечении природных ресурсов из недр и замещении их водой, или перемещении масс на поверхности Земли;
- Как сейсмо-динамический метод гравиметрия является авангардным, обеспечивающим локализацию зон повышенной промышленной опасности для последующего их геодезическо-гравиметрического мониторинга, поскольку осадки и деформации, выявляемые на поверхности при извлечении масс с глубины, «запаздывают» в рудных районах на 5-10 лет, в нефтегазовых - на 7-15 и более лет после начала интенсивного освоения минеральных ресурсов.
Таким образом, объединение активной спутниковой сети с гравиметрической сетью определяет не только рациональное планово -высотное обоснование, но и дает ценную геолого-физическую информацию по изменению внутреннего строения территорий.
© К.М. Антонович, А.И. Каленицкий, А.П. Карпик, А.Н. Клепиков, 2008
