Гулевич О. А., Волкомирская Л. Б.
Разработанная технология глубинной георадиолокации успешно применяется в инженерной, шахтной геофизике, а также при исследовании месторождений полезных ископаемых от поверхности до сотен метров с высокой детальностью. Новым решением для геологических задач на глубину до 500 м является технология построения «виртуальной скважины» — распределения удельного электрического сопротивления (УЭС) по глубине с шагом 1–5 метров. Виртуальные скважины по параметру удельного электрического сопротивления (УЭС) на участке нефтегазового месторождения Восточной Сибири глубиной более 500 метров были заверены геологической информацией.
Глубинный георадар как минимум на порядок детальнее методов электроразведки и является эффективным методом исследования верхней части разреза (ВЧР) с выявлением границ, контрастных по электрическим свойствам, в том числе талый/мёрзлый, углеводороды/вода, а также выявления границ между сухими и влагонасыщенными грунтами, контактов пород разного литологического состава, обнаружения подземных коммуникаций и искусственных сооружений и т. д.
За последние годы технология глубинной георадиолокации значительно продвинулась в решении прикладных геофизических задач, добавились или адаптировались из других областей науки новые методики сбора и обработки информации, были выполнены многочисленные опытно-методические работы в различных геологических условиях, усовершенствовалась аппаратура и программное обеспечение [1, 2, 3].
Мы акцентируем внимание на наиболее востребованных направлениях применения глубинного георадара резидента «Сколково», не умаляя его возможностей для решения самого широкого круга задач.
Георадарное зондирование: решение для капитального строительства и инженерной геофизики
Георадарное зондирование производится в короткие сроки без нарушения целостности обследуемой поверхности, является самостоятельным видом работ и может быть использовано на любом этапе жизненного цикла объекта капитального строительства с целью:
• построения детальных геофизических разрезов на глубину от поверхности до 50 м;
• определения особо опасных участков с развивающимися инженерно-геологическими процессами, в том числе выявления зон фильтрации, протечек;
• локализации подповерхностных объектов и аномалий: проложенных ранее коммуникаций, остатков фундаментов, подземных полостей и пустот, зон разуплотнения, трещиноватости, плоскостей скольжения, таликов и других особенностей;
• определения мощности сезонно-талого слоя (СТС), установление глубины залегания подстилающих прочных грунтов;
• восполнения данных о геологическом разрезе в межскважинном пространстве.
Тщательное изучение инженерно-геологических условий с применением георадаров ГРОТ позволяет сокращать до минимума риски ущерба при строительстве и эксплуатации.
Применение глубинного георадара в процессе проектирования и проходки трасс методом горизонтально-направленного бурения (ГНБ) помогает выявить подповерхностные структуры, которые могут стать препятствием или осложнить проходку.
Большую востребованность и эффективность в визуализации подповерхностных аномалий метод показал при мониторинге состояния дамб хвостохранилищ и гидротехнических сооружений.
Целью одного из представленных обследований на дамбе хвостохранилища Жезказганской обогатительной фабрики являлось установление изменённых структур, связанных с опасностью потери устойчивости склонов дамбы (наиболее опасные), с определением их геометрических параметров, а также смещений, вызванных оседаниями поверхности (рис. 1, 2). В результате обследования с моноимпульсным георадаром были выявлены изменённые (нарушенные) структуры грунтов на уступах и частично пляже дамбы на аварийном участке: трещины, коллекторы, суффозии, ослабленные структуры, смещения. Обнаруженные геоморфологические изменения структуры грунтов на подстилающих разрезах, связанные с фильтрацией воды, привели к потере устойчивости уступов дамбы.
На территории карьера «Николаевский» месторождения ТОО «Востокцветмет» по результатам георадарного профилирования были выявлены участки, которые потенциально очень опасны в плане деформационных обрушений (рис. 3). Исследование показало наличие в массиве горной породы тектонических нарушений в виде разноориентированных трещин, по которым вода поступает с борта карьерной выемки на исследуемый уступ. Были выявлены участки с особенностями, схожими по морфологическим признакам с клиновой деформацией. Риск обрушения борта уступа карьера, обусловленный наличием ослабленных структур (промоин), линии скрещения которых наклонены в сторону карьерной выемки, очень высокий.
Шахтная геофизика
Одна из главных проблем в работе горнодобывающих предприятий — безопасность ведения работ, в частности, предотвращение затопления рудников. Известны случаи затопления рудников в результате вскрытия горными выработками стволов скважин, по которым отсутствовали или оказались недостоверными сведения о точном их местоположении.
С целью защиты от проникновения агрессивных к солям вод вокруг каждой скважины оставляют предохранительные целики. Однако при отсутствии точных данных о местоположении стволов скважин размеры околоскважинных целиков произвольно увеличивают, что влечёт за собой дополнительные нетехнологические потери полезного ископаемого и снижение коэффициента его извлечения.
Глубинная георадиолокация применяется в условиях горных выработок для выполнения следующих основных задач:
• сопровождение проходки горных выработок, относящейся к классу «высокоопасная» по условиям водозащиты;
• выявление и оконтуривание области замещения продуктового пласта;
• локализация стволов геолого-разведочных скважин на уровне продуктовых пластов;
• локализация «потерянных» и затопленных горных выработок;
• мониторинг состояния массива горных пород, вмещающего горные выработки, в том числе выявление зон повышенной трещиноватости и водонасыщенности.
Опыт многолетнего применения глубинных моноимпульсных георадаров в ОАО «Беларуськалий» показал, что своевременное обследование участка с георадаром обеспечивает достаточной информацией для практически полного исключения рисков аварий и затопления, а также позволяет оптимизировать размеры предохранительных целиков, снизить риски прорыва воды при проведении горных работ и сократить потери полезного ископаемого в водоохранных целиках.
Научный подход к внедрению георадарной технологии в соляных выработках и внимание к условиям проведения съёмки обеспечили рекордную точность в конечных результатах. Например, обнаружение и определение положения контрольно-стволовой скважины достигается с точностью до 1 % от дальности и с шагом 10 см по профилю (рис. 4). Максимальная дальность обнаружения цели составила свыше 90 м.
Виртуальная скважина
Для применения в нефтегазовой геофизике и решений геологических задач на глубинах в сотни метров метод глубинной георадиолокации был существенно доработан резидентом «Сколково» в сотрудничестве с ведущими экспертами ЭРФИ ИЗМИРАН и АУ «НАЦ РН им. В. И. Шпильмана». По аналогии с ближайшим по способу получения и обработки данных методом сейсморазведки он получил название МОЭМВ — метод отражённых электромагнитных волн.
Прорыв в информативности в глубинных исследованиях достигается за счёт специальной обработки данных, полученных при измерении с изменяющимся расстоянием между передатчиком и приёмником, например методом общей глубинной точки (МОЭМВ-ОГТ) [3]. Результат исследования — количественный: значения электрических параметров, пересчитанных из скорости электромагнитного сигнала, определённой на основе скоростного анализа. Сложность проведения МОЭМВ-ОГТ приводит к снижению производительности полевых работ по сравнению с профилированием, однако это компенсируется точностью определения свойств горных пород, характера их насыщения, а также высоким разрешением по глубине.
На рисунке 5 приведен пример определения распределения УЭС до глубины более 500 м на лицензионном участке крупной нефтегазовой компании в Восточной Якутии, так называемая «виртуальная скважина». Абсолютные эффективные значения УЭС рассчитаны с шагом до 5 м, положения ММП и водонасыщенного горизонта соответствуют геологическим данным.
Герман Весельский, генеральный директор ТОО «GRP-RIDDER-GROUP», Республика Казахстан:
«Наша компания специализируется на проведении геофизических работ с применением метода георадиолокации. После проведения тщательного анализа рынка и отбора мы остановили свой выбор на технологии моноимпульсных георадаров резидента «Сколково». Преимущества технологии очевидны: глубинный георадар работает в любых условиях, в том числе в низкоомных глинистых грунтах, прибор лёгкий, несложен в применении в полевых условиях, очень информативен. Глубинный георадар успешно применялся нами на самых разных объектах — месторождениях полезных ископаемых, дамбах хвостохранилищ, карьерах, терриконах, гидротехнических сооружениях и на месте техногенных катастроф».
Азат Табигатов, старший геотехник ТОО «AltaiMiningGroup», Республика Казахстан:
«Технология глубинной георадиолокации доказала свою эффективность в составе комплекса оборудования, используемого нами в горнопроходческих работах. Основными задачами её применения в нашей компании является определение рудного контура, зон трещиноватости и пустот на рудниках и в шахтах по добыче хромовых руд. Преимуществом применения глубинной георадиолокации в шахтной геофизике является оперативность обследования геолого-структурного строения массива горных пород, без деформирования и вмешательства в поверхность, с получением информации о состоянии скального массива с требуемой детальностью».
Юрий Никитин, ведущий инженер научно-исследовательского отдела инженерной геофизики ОАО «Белгорхимпром»:
«Глубинная георадиолокация внедрена в технологический цикл проходки горных выработок на рудниках ОАО «Беларуськалий» на участках, опасных по условиям водозащиты, применение георадиолокации предусмотрено локальными нормативно-правовыми актами.
Выполнение работ с применением моноимпульсного георадара резидента «Сколково» является частью научно-технического сопровождения проходки горных выработок на особо опасных участках: участки перехода блокообразующего разлома; краевая зона 3-го калийного горизонта, относящаяся к классу «высокоопасная» по условиям водозащиты; участки, примыкающие к водоохранным целикам геолого-разведочных скважин, и т. д. Основные решаемые задачи: выявление и оконтуривание области замещения продуктивного пласта; определение точного местоположения стволов геолого-разведочных скважин на уровне продуктивных пластов; уточнение местоположения потерянных (затопленных) горных выработок; мониторинг состояния массива горных пород, вмещающего горные выработки с целью выявления зон повышенного рассолонасыщения».
Юрий Миронов, старший проектный менеджер фонда «Сколково»:
«Мы отмечаем высокий интерес со стороны добывающих компаний к технологиям глубинной георадиолокации, позволяющим проводить обследования месторождений полезных ископаемых от поверхности до сотен метров с максимальной детализацией и без ущерба для окружающей среды. Очевидны также перспективы применения данной технологии и в других областях проведения инженерно-геологических изысканий в строительстве, обследовании различных объектов и пр.».
В структуре ММП характерно выделяется два слоя повышенного сопротивления, разделённых слоем с пониженным УЭС. В интервале 340–480 м, по данным «виртуальной скважины», наблюдается резкое снижение УЭС, что коррелирует с положением водонасыщенных пород-коллекторов по описанию ближайшей скважины.
Преимуществом построения вертикальной скважины, по данным МОЭМВ-ОГТ, является независимость построения от априорной структурной информации, что отличает МОЭМВ от методов электроразведки. Разрешение по глубине в виртуальной скважине уступает только методам геофизического исследования скважин (ГИС).
Таким образом, несмотря на трудоёмкость проведения работ, виртуальная скважина является наименее затратным способом обследования участка с максимальной детализацией и без ущерба для окружающей среды.
Метод эффективен для детального исследования верхней части разреза, изучения структуры многолетнемёрзлых пород, поиска подземных вод и исследования свойств горных пород разреза на глубинах до 500 метров.
Вопросы можно задать здесь: YMironov@sk.ru, SPoplavskiy@sk.ru
Список литературы
1. Волкомирская Л. Б., Гулевич О. А. Способ глубинной георадиолокации и устройство для его осуществления. Патент на изобретение № RU2816128C1 от 26.03.2024.
2. Волкомирская Л. Б., Гулевич О. А., Ляхов Г. А., Резников А. Е. Георадиолокация больших глубин // Журнал радиоэлектроники. 2019. Т. 4. DOI: 10.30898/1684-1719.2019.4.6.
3. Кильпио Е. Ю., Щербаков И. А. О научных результатах в области физических наук, полученных в 2020–2021 гг. // Доклады Российской академии наук. Физика, технические науки. 2022. Т. 506, № 2. С. 3–33. DOI: 10.31857/S2686740022070069.