Геофизические исследования: статья

ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СИГНАЛОВ ИМПУЛЬСНОГО ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО МЕЖСКВАЖИННОГО МОНИТОРИНГА МНОГОЛЕТНЕМЁРЗЛЫХ ПОРОД ПОД ОСНОВАНИЯМИ ПРОМЫШЛЕННЫХ ОБЪЕКТОВ
И.В. Михайлов
О.В. Нечаев
В.Н. Глинских
М.Н. Никитенко
А.А. Федосеев
Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. А.А. Трофимука СО РАН
Журнал: Геофизические исследования
Том: 24
Номер: 3
Год: 2023
Страницы: 87-102
УДК: 550.837, 519.6, 551.34
DOI: 10.21455/gr2023.3-5
Ключевые слова: электромагнитный мониторинг, импульсное зондирование, межскважинное просвечивание, геоэлектрическая модель, преобразование Сумуду, векторный метод конечных элементов, трёхмерное моделирование, криолитозона, техногенная и экологическая катастрофа.
Аннотация: Предложен новый подход к мониторингу состояния многолетнемёрзлых пород под основаниями промышленных объектов, направленный на своевременное предотвращение техногенных и экологических катастроф. Используется стационарная межскважинная система импульсного электромагнитного просвечивания, в которой источники и приёмники сигналов – расположенные в разных скважинах наборы индуктивных катушек. Каждая двухкатушечная зондирующая система включает в себя источник и приёмник, находящиеся на одинаковой глубине. Математическое описание электромагнитного мониторинга выполнено на основе преобразования Сумуду с уникальными свойствами, не получившего распространения при решении задач геоэлектродинамики. Программно реализован алгоритм трёхмерного моделирования электромагнитных импульсов векторным методом конечных элементов. Оригинальное сочетание последнего и преобразования Сумуду позволяет эффективно описать пространственную неоднородность и высокий контраст геоэлектрических параметров, существенно снизив вычислительные затраты. Рассмотрена реалистичная геоэлектрическая модель резервуара с топливом на многолетнемёрзлых породах с образовавшимся в них таликом разных размеров, который может стать причиной деформации конструкции с негативными последствиями для окружающей среды. Оценены практические возможности системы импульсного электромагнитного мониторинга для варианта межскважинного просвечивания. Достигаемый уровень сигналов – достаточный для практической реализации стационарной системы межскважинного просвечивания. Важные преимущества предложенного подхода – низкие трудозатраты на развёртывание системы наблюдений и малые эксплуатационные расходы на поддержание её функционирования. Выполнено трёхмерное численное моделирование электромагнитных сигналов, по результатам которого сделан вывод о достаточной чувствительности системы электромагнитного мониторинга к наличию талика и увеличению его размеров.
Список литературы: Васильев А.А., Гравис А.Г., Губарьков А.А., Дроздов Д.С., Коростелев Ю.В., Малкова Г.В., Облогов Г.Е., Пономарева О.Е., Садуртдинов М.Р., Стрелецкая И.Д., Стрелецкий Д.А., Устинова Е.В., Широков Р.С. Деградация мерзлоты: результаты многолетнего геокриологического мониторинга в западном секторе Российской Арктики // Криосфе-ра Земли. 2020. Т. 24, № 2. С.15–30. DOI: 10.21782/KZ1560-7496-2020-2(15-30)

Заплавнова А.А., Оленченко В.В., Дергач П.А., Федин К.В., Осипова П.С., Шеин А.Н. Апро-бация комплекса сейсмических и электрических методов геофизики для решения задач мониторинга состояния мёрзлых пород в основании здания на свайном фундаменте // Геофизические технологии. 2022. № 3. С.46–63. DOI: 10.18303/2619-1563-2022-3-49

Королева Е.С., Хайруллин Р.Р., Бабкина Е.А., Слагода Е.А., Хомутов А.В., Мельников В.П., Бабкин Е.М., Тихонравова Я.В. Индикаторы локальных изменений сезонного протаи-вания с применением беспилотных летательных аппаратов для картографирования криолитозоны // Доклады Российской академии наук. Науки о Земле. 2020. Т. 491, № 1. С.87–91.

Кузьмина Е.И., Изюмов С.В., Дручинин С.В., Круглов Н.А. Применение георадара в услови-ях вечной мерзлоты при инженерно-геологических изысканиях в строительстве // Гор-ный информационно-аналитический бюллетень. 2012. № 1. С.94–100.

Мельников Н.Н., Калашник А.И., Запорожец Д.В., Дьяков А.Ю., Максимов Д.А. Опыт при-менения георадарных подповерхностных исследований в западной части российского сектора Арктики // Проблемы Арктики и Антарктики. 2016. № 1. С.39–49.

Никитенко М.Н., Глинских В.Н., Горносталев Д.И. Математическое обоснование импуль-сных электромагнитных зондирований для новых задач нефтепромысловой геофизики // Сибирский журнал вычислительной математики. 2021. Т. 24, № 2. С.179–192.

Носкевич В.В., Кузьбожев А.С. Георадарные исследования грунтов в условиях вечной мерзлоты в зоне магистрального газопровода Бованенково–Ухта // Геофизические ис-следования. 2017. Т. 18, № 3. С.17–26. DOI: 10.21455/gr2017.3-2

Сазонов А.Д., Комаров Р.С., Передера О.C. Разлив нефтепродуктов в Норильске 29 мая 2020 года: предполагаемые причины и возможные экологические последствия // Эко-логия. Экономика. Информатика. Серия: системный анализ и моделирование экономи-ческих и экологических систем. 2020. Т. 1, № 5. С.173–177. DOI: 10.23885/2500-395X-2020-1-5-173-177

Федорова О.И., Давыдов В.А., Байдиков С.В., Горшков В.Ю. Применение геоэлектриче-ского мониторинга при изучении грунтовых плотин // Геоэкология. Инженерная геоло-гия. Гидрогеология. Геокриология. 2017. № 1. С.84–92.

Чугаев А.В., Санфиров И.А., Тарантин М.В. Сейсморазведка на отраженных волнах при межскважинных исследованиях на Верхнекамском месторождении калийных солей // Геология и геофизика. 2023. Т. 64, № 2. С.293–307. DOI: 10.15372/GiG2022119

Эпов М.И., Нечаев О.В., Глинских В.Н. Численная инверсия интегрального преобразования Сумуду при моделировании электромагнитного зондирования земных недр // Геология и геофизика. 2023. Т. 64, № 7. С.1033–1045. DOI: 10.15372/GiG2023104

Abou-Sayed A.S., Andrews D.E., Buhidma I.M. Evaluation of oily waste injection below the permafrost in Prudhoe Bay field // SPE California Regional Meeting: proceedings. Bakers-field, California, USA, April 5–7. USA: SPE of AIME, Richardson, 1989. 14 p. DOI: 10.2118/18757-MS

Al-Ali Z.A., Al-Buali M.H., AlRuwaili S., Ma S.M., Marsala A.F., Alumbaugh D., DePavia L., Levesque C., Nalonnil A., Zhang P., Hulme C., Wilt M. Looking deep into the reservoir // Oilfield Review. 2009. V. 21, N 2. P.38–47.

Bossavit A. Computational Electromagnetism: Variational Formulations, Complementarity, Edge Elements. San Diego: Academic Press, 1998. 352 p.

Briggs M.A., Campbell S., Nolan J., Walvoord M.A., Ntarlagiannis D., Day-Lewis F.D., Lane J.W. Surface geophysical methods for characterising frozen ground in transitional perma-frost landscapes // Permafrost and Periglacial Processes. 2016. V. 28. P.52–65. DOI: 10.1002/ppp.1893

Fedorov A.N. Permafrost landscapes: classification and mapping // Geosciences. 2019. V. 9, N 11. P.1–3. DOI: 10.3390/geosciences9110468

Freund R.W., Nachtigal N.M. Software for simplified Lanczos and QMR algorithms // Applied Numerical Mathematics. 1995. V. 19. P.319–341. DOI: 10.1016/0168-9274(95)00089-5

Glinskikh V., Nechaev O., Mikhaylov I., Danilovskiy K., Olenchenko V. Pulsed electromagnetic cross-well exploration for monitoring permafrost and examining the processes of its geocry-ological changes // Geosciences. 2021. V. 11, N 2. P.1–15. DOI: 10.3390/geosciences11020060

Hiptmair R. Finite elements in computational electromagnetism // Acta Numerica. 2002. V. 11. P.237–339. DOI: 10.1017/S0962492902000041

Kamnev Y.K., Filimonov M.Yu., Shein A.N., Vaganova N.A. Automated monitoring the tempera-ture under buildings with pile foundations in Salekhard (preliminary results) // Geography, Environment, Sustainability. 2021. V. 14, N 4. P.75–82. DOI: 10.24057/2071-9388-2021-021

Katterbauer K., Hoteit I., Sun S. Synergizing crosswell seismic and electromagnetic techniques for enhancing reservoir characterization // SPE Journal. 2016. V. 21, N 3. P.909–927.

Leiceaga G.G., Marion B., O’Sullivan K.M., Bunge G., Nielsen J.T., Fryer A. Crosswell seismic applications for improved reservoir understanding // The Leading Edge. 2015. V. 34, N 4. P.422–428. DOI: 10.1190/tle34040422.1

Mollaret C., Hilbich C., Pellet C., Flores-Orozco A., Delaloye R., Hauck C. Mountain permafrost degradation documented through a network of permanent electrical resistivity tomography sites // Cryosphere. 2019. V. 13. P.2557–2578. DOI: 10.5194/TC-13-2557-2019

Monk P. Finite Element Methods for Maxwell’s Equations. New York: Oxford University Press, 2003. 450 p. DOI: 10.1093/acprof:oso/9780198508885.001.0001

Nair M.T. Quadrature based collocation methods for integral equations of the first kind // Ad-vances in Computational Mathematics. 2012. V. 36, N 2. P.315–329. DOI: 10.1007/s10444-011-9196-1

Nedelec J.C. A new family of mixed finite elements in R3 // Numerische Mathematik. 1986. V. 50. P.57–81. DOI: 10.1007/BF01389668

Oldenborger G.A., LeBlanc A.-M. Monitoring changes in unfrozen water content with electrical resistivity surveys in cold continuous permafrost // Geophysical Journal International. 2018. V. 215. P.965–977. DOI: 10.1093/gji/ggy321

Onaca A., Ardelean A.C., Urdea P., Ardelean F., Sîrbu F. Detection of mountain permafrost by combining conventional geophysical methods and thermal monitoring in the Retezat Moun-tains, Romania // Cold Regions Science and Technology. 2015. V. 119. P.111–123. DOI: 10.1016/j.coldregions.2015.08.001

Palamarchuk V., Holmyanskii M., Glinskaya N., Mishchenko O. Complex exploration of hydro-carbon deposits on arctic shelf with seismic, electric prospection and electrochemical meth-ods // International Journal of Environmental and Science Education. 2016. V. 11, N 15. P.7453–7464.

Shesternev D.M., Neradovskiy L.G., Litovko A.V. Electromagnetic induction surveys for thermal monitoring of permafrost under the Amur federal road (Chita to Khabarovsk) // Earth’s Cry-osphere. 2016. V. 20, N 2. P.87–95.

Smith M.W., Riseborough D.W. Permafrost monitoring and detection of climate change // Perma-frost and Periglacial Processes. 1996. V. 7. P.301–309.

Snegirev A.M., Velikin S.A., Istratov V.A., Kuchmin A.O., Skvortsov A.G., Frolov A.D. Geophysi-cal monitoring in permafrost areas // The 8th International Conference on Permafrost: pro-ceedings. Zürich, Switzerland, July 21–25. Lisse: Swets & Zeitlinger, 2003. P.1079–1084.

Streletskiy D.A., Suter L.J., Shiklomanov N.I., Porfiriev B.N., Eliseev D.O. Assessment of climate change impacts on buildings, structures and infrastructure in the Russian regions on perma-frost // Environmental Research Letters. 2019. V. 14. P.1–15. DOI: 10.1088/1748-9326/aaf5e6

Watugala G.K. Sumudu transform: a new integral transform to solve differential equations and control engineering problems // International Journal of Mathematical Education in Science and Technology. 1993. V. 24, N 1. P.35–43. DOI: 10.1080/0020739930240105

Webb J.P. Hierarchal vector basis functions of arbitrary order for triangular and tetrahedral finite elements // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 1999. V. 47, N 8. P.1244–1253.

Wu Z., Zhao L., Liu L., Zhu R., Gao Z., Qiao Y., Tian L., Zhou H., Xie M. Surface-deformation monitoring in the permafrost regions over the Tibetan Plateau, using Sentinel-1 data // Sci-ences in Cold and Arid Regions. 2018. V. 10, N 2. P.114–125. DOI: 10.3724/SP.J.1226.2018.00114

Zhang Y., Vossepoel F.C., Hoteit I. Efficient assimilation of crosswell electromagnetic data using an ensemble-based history-matching framework // SPE Journal. 2020. V. 25, N 1. P.119–138.

Zhang Z., Wang M., Wu Z., Liu X. Permafrost deformation monitoring along the Qinghai-Tibet Plateau engineering corridor using InSAR observations with multi-sensor SAR datasets from1997–2018 // Sensors. 2019. V. 19, N 23. P.1–23. DOI: 10.3390/s19235306