长庆油田陇东油区开发中震动影响研究

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长庆油田陇东油区开发中震动影响研究

长庆油田陇东油区开发中震动影响研究_石油开发环境保护

长庆油田陇东油区开发中震动影响研究

（兰州地震工程研究院）

前　言

受长庆油田第二采油厂与庆阳市西峰政法委联合委托，兰州地震工程研究院于2005年3月18日至3月28日在庆阳市西峰区后官寨乡、庆城县熊家庙乡等地对钻机震动和不同路面上各种车辆通行时对道路两侧的震动强度进行了测试。

近年来，随着长庆油田采油区的扩大，第二采油厂开发区域从沟豁地带扩展到了塬区。在开发过程中，由于钻机、重车的行驶所引起的震动，对附近居民的房屋、窑洞产生了一定的影响。本次测试的目的是用测震仪器测定上述震动源对各种民居的影响强度，确定安全界限。测试所用的仪器是当前我国乃是全世界最先进的强震记录仪一K2（Etna）型强震仪。该仪器可记录震动过程的加速度、速度，凭此可直接与地震强度相联系。

对采集到的数据整理后，经分析，取得了钻机、不同类型的车辆对民居影响程度的科学数据，确定了离开震动源的安全距离。本测试报告可作为庆阳市陇东油区判定震动影响的依据。

参加本项工作的人员有:

孙崇绍（研究员）一本项目技术负责人；

何少林（高级工程师），姚凯（工程师），何新社（工程师），王清才；

周俊喜（工程院院长，研究员）一技术监督，数据核实，报告审查。

长庆油田第二采油厂项目组安全总监韩恩虎、采油二厂项目组外协干事路小龙在现场测试中给予了大力协助。

在本测试工程任务中，得到长庆油田公司第二采油厂产建项目组、西峰区政法委、环保局、土地局、技术监督局、后官寨乡政府、庆城县土地局、熊家庙乡政府等单位的大力支持和协助，在此表示衷心感谢。

本报告山何少林负责数据的整理、分析计算及图件的处理，文字部分由孙崇绍执笔。

一、测点位置及所测的车辆、机械

钻机：

1西峰区后官寨乡东坪尹家嘴，西29-031井，3000型钻机，30606机组；

2西峰区后官寨乡南佐村，西44-036井，3200型钻机，30537机组；

3西峰区后官寨乡马集村，西35-038井，4000型钻机，40623机组。以上三台钻机的动力均为2×900马力柴油机。

二、公路

柏油路:

1西峰区后官寨乡四官寨村以东、西峰区西环城油路一记录到过路车辆25吨油罐、30吨运钢筋车、30吨运沙车5～6次，20吨以下空车2～3次，车辆时速在40公里以上；

2庆城县熊家庙乡夏熊油路，西峰油田采油二区门前一专门调用了20吨装载机，时速20公里；

土路:

1西峰区后官寨乡南佐村，观测了两个地点一专门调用了25吨KATO大吊，同时也记录到过路的斯太尔运管材车（总重25吨）行驶速度20公里；

2西峰区后官寨乡东坪村一记录到过路车辆28～30吨三次，时速30公里，12吨空车一次，时速30公里。

观测时记录到的部分行走的车辆见附录V（照片）。

三、场地脉动:在西峰区董志乡周庄远离机械振动的地点观测场地脉动两次。

为了求得普遍的震动衰减规律，观测时采用了测线法，即在距震动源不同距离处安置仪器的方法:最近的测点放置在距震动源1.5～4.5m处，最远的一距震源70m处。其中在观测公路时测线的布置与公路垂直；观测钻井时以井及柴油机为中心布置测线。放置仪器的地点均为较密实的土地，以防止虚土的隔震作用。

观测时，根据观测点到震源的距离调整仪器的触发灵敏度。

各观测点的观测项目见表1。

表1　观测点的位置及观测项目

二、场地条件

测试区位于我国著名的黄土高原一董志源之土，塬面平坦，长宽可达数十公里，塬面为冲沟切割，深度达百米左右，沟壁陡峻，但测点离冲沟都较远，故测试不受地形的影响。

塬面有巨厚的黄上层覆盖，总厚度150m左右，地表有约20m厚的马兰黄土层覆盖，连同下伏的上新世地层，总厚度可达290m；以下为中生代的泥砂岩地层。在东坪村附近一沟壁上见到的马兰黄土为灰黄色，无层理，但具有垂直节理，大孔隙发育，可见到植物根系及钙膜。黄土手感疏松、粉质，处于硬塑状态。塬面为农田，近地表有厚lm左右的耕土层，仍为黄土质。测试场地平坦、均一。

塬面平坦地段的脉动卓越周期3～6Hz。

三、观测用的仪器设备

现场观测采用的是美国Kinemetrics公司生产的K-2（Etna）强震仪，共用了5台，该仪器是固态数字存储强震仪，其内置三分向力平衡加速度计和GPS定位器。仪器性能稳定，是目前世界最先进的强震记录仪器之一。可以采用连续记录，也可以设置某一触发震动量，使其受震触发开始记录。仪器平均主要参数:

（1）范围:人于145dB；

（2）频带范围:DC}200Hz；

（3）满刻度范围:士2g；

（4）满量程输出:士2.5V；

（5）固有周期:208Hz；

（6）阻尼:0.7；

（7）标准传递函数分向数:二分向；动态

（8）标准传递函数

其中v（s）是输出电压的Laplace变换，A（s）是输入加速度的Laplace变换，k₁=2.46×10¹³，k₂是传感器的灵敏度（V/g），s是Laplace变换变量，其极点值p₁=-981+1009i，P₂=-981-1009i，p₃=-3290+1263i，p₄=-3290-1263i。

（9）采样率:200点/秒；

仪器的外观见照片1-2（附录V）

四、观测结果的分析

以上各点的观测共获得84组三分相数据，数据汇总于附录I；几个典型记录的波形及其谱分析图形（富氏谱）见附录II；测点平面图见附录IV。

由观测数据（附录I）可以看出:

1各种震动源所产生的结果都有一定的离散性，数据的离散和震动源的状态、产生震动的机械特征都有关系，所以在评定震动所造成的影响时，宜用统计的方法。

2钻井的震动主要来源于动力柴油机和钻机的机械部分，所以在回归计算时以这两处作为距离的起点。记录表明，在靠近柴油机1.5m的地方，水平向峰值加速度可达69cm/s²，但远离震源时加速度迅速衰减，在距震源20m处己衰减至10cm/s²以下。

3公路上汽车所产生的震动和路况、车况以及行车速度都有关系，其中与路况的关系特别明显。总的情况是柏油路上即使快速行走的25吨以上的重车所产生的震动效应也很小，观测到的最大值在距公路中心线6m处仅为18.26cm/s²（25吨重车，时速40公里以上），远离公路即开始衰减，至15m处已降至5-6cm/s²左右，重车行走时公路旁边也都达不到破坏的最低界限，公路上及柏油路上行走的车辆对两旁的建筑物无害。

4砂石公路上车辆的影响要大得多，而且与路面的平整程度、车辆的轻重和行车速度有直接的关系。我们所观测的东坪村的土路就是路面不平整的土路，轻、重车辆震动的差异很显著，如附录I测点5中的土路测试2就是一辆自重12T的空车，其产生的效应仅为重车（测试1，3，4，5，6）的1/5～1/7左右，20吨的车辆接近破坏的下限，土路上行走的轻车对建筑物不造成损坏。土路的路面的平整度差，则车辆通过时产生的震动强，在距路中心5m处最大记到的水平向峰值

加速度为34.8cm/s²，但随远离路旁震动衰减相应较快，在距公路30m处已降至2.3—3.5cm/s²。路况不平整时震动固然随之加大，但在路况差的路段上车行的速度也随之减慢，土路上的重车行走时速很难超过25km，所以在土路两侧车辆的影响程度也有一定的限度。

与钻井有关的车辆有下列几种（表2）

表2　与钻井有关的车辆类型

由上表可知，钻井用车之中，除配属车辆、送套管车、送水车和电测车辆之外，都属于20吨以上重车的范围。

4不论来自何种震源，震动都随着远离震源而迅速衰减，由于传播介质对震动能量的吸收，震动己不是简单的几何衰减，常用的衰减公式形式为指数形式①：

Ar=AoCexp（-ɑofo（r-ro））（4.1）

式中Ar一距震源r处的振幅（加速度、速度、位移），Ao一震源处的振幅，C一与震源特征有关的参数，ɑo一土衰减系数，fo一震动频率，ro一当量震源半径。

式中，系数C=［ro/r（1-ζ（1-ro/r））］1/2

ζ—与震源有关的无量纲系数，对公路ζ=0.30

由于记录的结果受多方面因素的影响，在回归时不可能考虑这样多的因素，而且其中有一些因素已成为常数，故将上式化简为Ar=α×exp（βr），改写为十进对数的形式为:

1gA=a+bR（4.2）

式中R为震源距离。按照此公式的形式将记录得到的数据按钻井、柏油路、砂石土路（又分轻车、重车）等四种观测对象统计回归，其中重车指20吨以上的车辆，统计时将过于偏低的小数点舍弃掉②，得到如下结果：

式中A为观测点上的震动加速度值（cm/s）^z.R为震源距（m）,α为1gA的标准差，r为相关系数。

统计的结果中，测点在上面回归公式的两侧是按正态分布分散的，考虑到最不利的情况，将上式按正态分布的积分结果加上1.96α^②，使记录到的95%测点（事实上已达98%）都包在公式线的下面。将（4.3）式改写为：

回归得到的结果见附录III。

五、房屋和窑洞的破坏标准及安全距离的确定

震动对房屋的影响取决于震动强度和房屋的质量，目前我国还没有法定的评定建筑物破坏的标准和规范;但是有法定的地震烈度表以及对应各烈度的水平向地面运动参数（GB/T17742-1999《中国地震烈度表》）③，也制定了震害分级标准。在评定房屋的震害时将震害分为5级:基本完好，轻微破坏，中等破坏，严重破坏，毁坏（含倒塌）。其中在中等破坏及以上的等级，房屋发生了承重构件的结构性破坏；轻微破坏时没有结构性的破坏，多是轻微开裂或屋瓦掉落等轻微的损坏。按《中国地震烈度表》，不同烈度时房屋的破坏标准如下（表3）：

表3　中国地震烈度表（摘录Ⅳ~Ⅶ，略有删节）

由上表可知，（1）房屋主体结构VI度时可能有轻微破坏，中等破坏要从VII度开始，而在V度时除危房外完全达不到破坏的强度。（2）与烈度相对应的地面运动，不论是峰值加速度还是速度，烈度每升高一度，所对应的数值就增大一倍。按照我国的烈度表，对应V度地震的峰值加速度为0.31 m/s²。大震震害的经验也表明，水平向加速度峰值低于0.3m/s²时，房屋没有震害。甘肃省的大量民房、窑洞调查配合相应的计算，将各类民房在地震时的震害汇入表4，V度区内的房屋已不遭破坏（见表4，危房除外）。

表4　甘肃省农村民房的抗震性能汇总

震动加速度和速度之间的转换受频率的影响很大，机械震动与地震不同，频率都高砖15Hz（见附录II.谱分析结果），同样的峰值加速度与地震相比，机械震动对建筑物的损伤要轻。本次测试得到的峰值速度都很低（见附录I），不能作为评定建筑物破坏的标准;这种情况下，宜用水平向加速度作为判定房屋的破坏标准，这样也可与地震的破坏效果直接对比。1993年，江苏省地震局地震工程研究所在环县、庆城一带做测试时，确定了水平向峰值速度0.1cm/s作为窑洞安全的速度值，符合当地的情况，我们认为是合理的。

同样地震烈度的作用下，不同类型的房屋起遭到的破坏程度不同。西峰地区的房屋大致可划分为三类:即①砖混房屋②砖木、土坯等结构强度中等的房屋③土坯箍窑三大类。崖窑的抗震性能比砖木、土坯等房屋要好一些，但比砖混房屋要差，仍将其归入第二类。三类房屋的抗震性能和损坏界限不同，但都在V度范围之内，分别取35,30,25cm/s2作为安全界限。前面已经指出，机械震动与天然地震的差别很大，其频率比地震要高出很多，与农村普通民房以及窑洞的自震周期（民房的自震周期多在3～4Hz）相比，高出很多，不会引起房屋或窑洞的共振破坏。所以，即是同样大小的峰值加速度，机械震动对民房的损害比地震要小。按照回归得到的公式（式4·4）计算得到如下结果（表5），安全距离是有保障的。

安全界限以内，按地震烈度折算能达到V度强左右的震动强度，当地的建筑物最重可遭到轻微破坏，即，损失最多占房屋造价的8%^④。

按照国家地震局1997年颁布的《地震灾害损失评估工作规定（试行）第3.5条，各破坏等级的损失所占房屋造价的比例（%）为：基本完好0～8；轻微破坏4～8；中等破坏8～30；严重破坏30～60；毁坏60～100该规定附录2中对破坏标准的规定为：

基本完好一房屋承重构件完好，个别承重构件轻微破坏，不加修理可继续使用；

轻微破坏一个别承重构件出现可见裂缝，非承重构件有明显裂缝，不需修理或稍加修理即可继续使用。

表5　安全界限（m)

大于上表中界限的距离对当地的民用建筑物是安全的。小干安全距离的地段记到的最大峰值加速度为67.4cm/s²，是在距3000型钻机的柴油机1.5m处记到的，如以地震烈度估算，相当于VI度；其余均仅相当于V度，建筑物最多只遭到轻微破坏。

砂石土路一栏回归的结果是根据21～30吨、车速30公里/小时的记录结果求得的，对于更重的车辆，每增加一档，增加距离0.5m（约10%左右）。

结　论

1.本次测试的对象为钻井、柏油路、砂石土路，测试所用的仪器为K2（Etna）加速度强震记录仪。仪器按测线布置，以观测离开震源不同距离处的震动。

2.散点统计表明，加速度峰值随远离震源按指数规律衰减，以每次记录到的最大加速度峰值为样本，进行统计，得到井架、柏油路、土路上机械、汽车行走时的震动衰减公式。

3.按95%置信率，即统计公式加上1.96α（标准差）作为震动衰减的计算公式（4.4），对应西峰地区的三大类房屋一①砖混房屋②砖木、土坯等结构强度中等的房屋以及崖窑③土坯箍窑一分别于地震时的情形相比，按照V度地震的标准，取35、30、25cm/s²用观测所得到的统计公式计算，求出各种震动源的安全界限，界限以远是安全的。计算的结果已列入表5，各种房屋离开震动源的安全距离应以此表中的数据为准。

4.小于安全距离的地段，在本测试中给定的振动机械作用下，建筑物只能遭到轻微破坏，按照地震震害的标准，轻微破坏的损失上限是房屋造价的8%。

5.柏油路上车辆行走对房屋和窑洞不造成破坏。

6.20吨以下的轻车行走对房屋和窑洞不造成破坏。

7.1993年江苏省地震局在环县、庆城一带的测试结果及安全界限的判据是合理的，本次测定的结果与1993年的结果相比稍有不同，主要是由于两地场地条件的差别所引起的。

参考文献

［1］林宗元主编，岩土上程勘察设计手册，PP.1800～1814,辽宁科学技术出版社，1996。

［2］林纪曾编，观测数据的数学处理，PP.104～140地震出版社，1983。

［3］GB/T17742-1999中国地震烈度表，中国标准出版社，1999，北京。

［4］地震灾害损失评估工作规定（试行），国家地震局震防发【1977】212号，1997年8月7日。