Способ определения местоположения и размеров нефтяного пятна при аварийной утечке нефти
METHOD OF DETERMINING LOCATION AND DIMENSIONS OF OIL SLICK DURING EMERGENCY OIL LEAKAGE

Предлагаемый способ относится к области диагностики площади и объемов распространения нефтяного пятна подо льдом при утечке нефти с подводной скважины или подводного нефтепровода при добыче нефти с месторождений арктического шельфа. Применение технологии при аварийном скапливании нефти подо льдом способствует быстрой оценке площади и объемов нефтяного пятна и своевременному принятию оперативных мероприятий по сбору излившейся нефти.
Возникновение утечки нефти из зоны негерметичности подводного объекта нефтедобычи в районах арктического Севера ведет к неконтролируемому накоплению нефтяного пятна подо льдом. Визуальное обнаружение таких скоплений нефти при облете шельфа с самолета или вертолета невозможно из-за наличия ледового покрова толщиной до одного метра и более.
Известны способы и системы определения местоположения и размеров нефтяного пятна при аварийной утечке нефти (авт. свид. СССР №№380.910, 417.675, 724.957, 866.043, 947.666, 1.079.946, 1.283.566, 1.368.685, 1.679.232, 1.781.577, 1.812.286; патенты РФ №№2.011.110, 2.036.372, 2.047.039, 2.053.436, 2.084.757, 2.511.873, 2.522.821, 2.622.721, 2.654.936; патенты США №№3.045.116, 3.744.298, 4.289.019, 4.570.477; патент Великобритании №1.349.120; патенты Франции №№2.374.628, 2.504.651; патент ФРГ №3.112.829; патенты Японии №№46-4.795, 51 - 19.495, 55-6.856, 59-38.537, 63-22.531; Никаноров A.M. Методы нефтепромысловых гидрогеологических исследований. М.: Недра, 1977, с. 131-141 и другие).
Из известных способов и систем наиболее близким к предлагаемому является «Способ определения местоположения и размеров нефтяного пятна при аварийной утечке нефти» (патент РФ №2.654.936, G01M 3/22, 2017), который и выбран в качестве прототипа.
Указанный способ основан на том, что в месте утечки нефти из подводного нефтепровода подают магнитный материал в мелкодисперсном состоянии вместе с нефтью магнитный материал растекается подо льдом, образуя пятно определенной толщины и размеров. О границах распространения нефтяного пятна судят по напряженности магнитного поля, измеряемой магнитометрами, размещенными на борту вертолета. При невозможности определения местоположения места утечки нефти из подводного нефтепровода мелкодисперсный магнитный материал подают непосредственно в скважину или в подводный нефтепровод до места утечки.
Технической задачей изобретения является повышение точности и однозначности определения местоположения нефтяного пятна путем использования радиолокатора, пеленгатора и сложных сигналов с фазовой манипуляцией, а также определения дальности Д от вертолета до нефтяного пятна, его азимута α и угла места β.
г
з
г
Поставленная задача решается тем, что способ определения местоположения и размеров нефтяного пятна при аварийной утечке нефти, заключающийся, в соответствии с ближайшим аналогом, в выделении в нефти устойчивого индикатора и его прослеживании во времени и пространстве, при этом для диагностики размеров и границ нефтяного пятна подо льдом в зону утечки нефти из подводного объекта нефтедобычи подают в постоянном режиме магнитный материал в мелкодисперсном состоянии, о границах распространения нефтяного пятна подо льдом судят по повышению напряженности магнитного поля над нефтяным пятном, которое замеряют магнитометрами над поверхностью ледового покрова, в частности, с вертолета, о толщине слоя нефти подо льдом по площади нефтяного пятна судят по величине напряженности магнитного поля, отличается от ближайшего аналога тем, что на борту вертолета размещают радиолокатор с приемопередающей антенной и пеленгатор с четырьмя пеленгационными каналами и приемными антеннами, при этом в радиолокаторе генерируют гармоническое колебание, манипулируют его по фазе псевдослучайной последовательностью, формируя зондирующий сложный сигнал с фазовой манипуляцией, усиливают его по мощности, излучают в направлении нефтяного пятна, принимают отраженный сигнал, усиливают его по амплитуде, преобразуют по частоте с использованием частоты ω гетеродина, выделяют напряжение промежуточной частоты, перемножают его с зондирующим сигналом, пропущенным через блок регулируемой задержки, выделяют низкочастотное напряжение, пропорциональное корреляционной функции R(τ), где τ - текущая временная задержка, изменением временной задержки τ обеспечивают максимальное значение корреляционной функции R(τ), поддерживают ее на максимальном уровне, фиксируют временную задержку τ=τ, соответствующую максимуму корреляционной функции R(τ), определяют расстояние Д от вертолета до нефтяного пятна и регистрируют его, в пеленгаторе принимают отраженные сигналы на четыре антенны, усиливают их по амплитуде, перемножают с напряжением промежуточной частоты, выделяют фазомодулированные напряжения на частоте ω гетеродина, перемножают фазомодулированные напряжения первого и второго, третьего и четвертого пеленгационных каналов между собой, выделяют гармонические напряжения на частоте Ω вращения винта вертолета, измеряют азимут α и угол места β нефтяного пятна: точные, но неоднозначные и регистрируют их, фазомодулированные напряжения второго и четвертого пеленгационных каналов подвергают автокорреляционной обработке, измеряют азимут α и угол места β нефтяного пятна: грубые, но однозначные и регистрируют их, причем приемопередающую антенну размещают над втулкой винта вертолета, а приемные антенны размещают на концах лопастей несущего винта вертолета, по измеренным значениям дальности Д, азимута α и угла места β точно и однозначно определяют местоположение нефтяного пятна под поверхностью ледяного покрова.
Геометрическая схема реализации предлагаемого способа изображена на фиг. 1. Структурная схема системы, реализующей предлагаемый способ, представлена на фиг. 2.
На фиг. 1 введены следующие обозначения: 1 - скважина на шельфе, 2 - подводный нефтепровода, 3 - зона негерметичности подводного оборудования и одновременно точка подачи магнитного материала в истекающую нефть, 4 - точка ввода магнитного материала в нефтедобывающую скважину, 5 - поднимающаяся на поверхность воды аварийно истекающая нефть, 6 - скопление нефти подо льдом, 7 - ледовое покрытие, 8 - вертолет с магнитометром, радиолокатором и пеленгатором на борту.
Система, реализующая предлагаемый способ и размещенная на борту вертолета, содержит радиолокатор и пеленгатор.
Радиолокатор 9 содержит последовательно включенные задающий генератор 10, фазовый манипулятор 12, второй вход которого соединен с выходом генератора 11 псевдослучайной последовательности (ПСП), усилитель 13 мощности, дуплексер 14, вход-выход которого связан с приемопередающей антенной 15, размещенной над втулкой винта вертолета, усилитель 20 высокой частоты, смеситель 28, второй вход которого соединен с выходом гетеродина 27, усилитель 29 промежуточной частоты, перемножитель 32, второй вход которого через блок 31 регулируемой задержки соединен с выходом фазового манипулятора 12, фильтр 33 нижних частот, экстремальный регулятор 34, блок 31 регулируемой задержки, индикатор 35 дальности и блок 36 регистрации.
Каждый пеленгационный канал содержит последовательно включенные приемную антенну 16 (17, 18, 19), усилитель 21 (22, 23, 24) высокой частоты, перемножитель 37 (38, 39, 40), второй вход которого соединен с выходом усилителя 29 промежуточной частоты, узкополосный фильтр 41 (42, 43, 44), перемножитель 45 (46), узкополосный фильтр 51 (52), фазометр 53 (55), второй вход которого соединен с выходом генератора 25 опорной частоты, а выход подключен к соответствующему входу блока 36 регистрации. К выходу узкополосного фильтра 42 (44) последовательно подключены линия задержки 47 (48), фазовый детектор 49 (50), второй вход которого соединен с выходом узкополосного фильтра 42 (44), и фазометр 54 (56), второй вход которого соединен с выходом генератора 25 опорной частоты, а выход подключен к соответствующему входу блока 36 регистрации.
Двигатель 26 кинематически связан с винтом вертолета и с генератором 25 опорной частоты. Приемные антенны 16-19 размещены на концах лопастей несущего винта вертолета.
Предлагаемый способ реализуют выполнением следующих работ:
1. При точном обнаружении зоны утечки нефти из подводного оборудования и невозможности ее быстрой ликвидации в истекающую под давлением нефть подают мелкодисперсный магнитный материал в той концентрации, при которой будет обеспечиваться его равномерное распределение в объеме изливающейся нефти и будет исключено выпадение магнитного материала из нефти.
2. В случае невозможности подачи магнитного материала непосредственно в зону ее утечки из подводного оборудования из-за технической причины: высокое давление изливающейся нефти или мгновенное распыление нефти в водной среде, организуют работы по подаче магнитного материала в добываемую нефть непосредственно на устьевой арматуре скважины или на запорной арматуре подводного нефтепровода, находящихся в системе нефтесбора, до зоны утечки нефти.
3. Находясь во взвешенном состоянии в нефтяной среде, магнитный материал распространится вместе со свежими порциями нефти по площади и объему всего нефтяного пятна подо льдом.
4. После начала подачи магнитного материала в истекающий поток нефти начинают периодический облет на вертолете ледового пространства в зоне скважины или аварийного трубопровода по траектории расширяющейся окружности (по спирали). Во время всего облета производят в постоянном режиме времени измерение магнитной напряженности пространства ниже средства передвижения, то есть в зоне ледового покрытия воды.
При обнаружении в определенном ледовом секторе зоны с повышенным значением магнитной напряженности производят дополнительные облеты этой зоны с измерением искомого параметра.
5. Зону с повышенным значением магнитной напряженности оценивают как область водной поверхности, на которой и сформировалось нефтяное пятно. По границе пятна и примерному объему излившейся нефти разрабатывают план сбора излившейся нефти путем вскрытия ледового покрытия в необходимых местах.
В радиолокаторе 9 задающим генератором 10 генерируют гармоническое колебание
c
c
c
с
с
u(t)=U⋅Cos(ωt+ϕ), 0≤t≤Т,
c
с
с
с
где U, ω, ϕ, Т - амплитуда, несущая частота, начальная фаза и длительность высокочастотного гармонического колебания.
которое поступает на первый вход фазового манипулятора 12, на второй вход которого подается модулирующий код M(t) от генератора 11 псевдослучайной последовательности (ПСП). На выходе фазового манипулятора 12 формируется зондирующий сложный сигнал с фазовой манипуляцией (ФМн)
к
где ϕ(t)={0, π} - манипулируемая составляющая фазы, отображающая закон фазовой манипуляции в соответствии с модулирующим кодом M(t),
который после усиления в усилителе 13 мощности через дуплексер 14 поступает в приемопередающую антенну 15 и излучается ею в направлении нефтяного пятна (фиг. 1).
Отраженные сложные ФМн сигналы:
где ± Δω - нестабильность несущей частоты сигналов, обусловленная различными дестабилизирующими факторами, в том числе и эффектом Доплера;
R - радиус окружности, на которой размещены приемные антенны 16, 17, 18 и 19;
Ω=2πR - скорость вращения приемных антенн 16-19 вокруг приемопередающей антенны 15 (скорость вращения винта вертолета);
α, β - азимут и угол места нефтяного пятна;
с выхода антенн 15-19 через усилители 20-24 высокой частоты поступают на входы смесителя 28 и перемножителей 37-40 соответственно.
На второй вход смесителя 28 подается напряжение гетеродина 27
г
г
г
г
u(t)=U⋅Cos(ωt±ϕ).
На выходе смесителя 28 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителем 29 выделяется напряжение промежуточной частоты
пр
пр
пр
к
пр
с
u(t)=U⋅Cos[ω±Δω)t+ϕ(t)+ϕ], 0≤t≤Т,
где
пр
1
г
ω=ω-ω - промежуточная (разностная) частота;
пр
1
г
ϕ=ϕ-ϕ,
з
которое поступает на вторые входы перемножителей 37-40 и на первый вход перемножителя 32. На второй вход перемножителя 32 через блок 31 регулируемой задержки подается зондирующий сложный ФМн сигнал  с выхода фазового манипулятора 12. Блок 31 регулируемой задержки, перемножитель 32, фильтр 33 нижних частот и экстремальный регулятор 34 образуют коррелятор 30. Фильтром 33 нижних частот выделяется низкочастотное напряжение, пропорциональное корреляционной функции R(τ), где τ - текущая временная задержка. Изменением временной задержки τ с помощью экстремального регулятора 34 обеспечивают максимальное значение корреляционной функции и поддерживают ее на максимальном уровне. Фиксируют временную задержку τ=τ и определяют дальность Д от вертолета до нефтяного пятна
где с - скорость распространения радиоволн.
г
Шкала отсчета блока 31 регулируемой задержки (индикатор 35 дальности) проградуирована непосредственно в единицах дальности Д, которая фиксируется блоком 36 регистрации. На выходе перемножителей 37-40 образуются фазомодулированные (ФМ) напряжения на стабильной частоте ω гетеродина 27:
где
н
г
которые выделяются узкополосными фильтрами 41-44 с частотой настройки ω=ω.
Знаки «+» и «-» перед величинами  соответствуют диаметрально противоположным расположениям приемных антенн 16 и 17, 18 и 19 на концах лопастей несущего винта вертолета относительно приемопередающей антенны 15, размещенной над втулкой винта вертолета.
г
Следовательно, полезная информация об азимуте α и угле места β нефтяного пятна переносится на стабильную частоту ω гетеродина 27. Поэтому нестабильность ±Δω несущей частоты, вызванная различными дестабилизирующими факторами, и вид модуляции (манипуляции) отраженных сигналов не влияют на результат пеленгации, тем самым повышается точность определения местоположения нефтяного пятна.
Причем величина  входящая в состав указанных колебаний и называемая индексом фазовой модуляции, характеризует максимальное значение отклонения фазы сигналов, принимаемых вращающимися антеннами 16 и 17, 18 и 19 относительно фазы сигнала, принимаемого неподвижной приемопередающей антенной 15.
Пеленгатор тем чувствительнее к изменению углов α и β, чем больше относительный размер измерительной базы  Однако с ростом уменьшаются значения угловых координат α и β, при которых разность фаз превосходит значение углов 2π, т.е. наступает неоднозначность отсчета углов α и β.
Следовательно, при  наступает неоднозначность отсчета углов α и β. Устранение указанной неоднозначности путем уменьшения соотношения  обычно себя не оправдывает, так как при этом теряется основное достоинство широкобазовой системы. Кроме того, в диапазоне метровых и особенно дециметровых волн брать малые значения  часто не удается из-за конструктивных соображений.
Для повышения точности пеленгации нефтяного пятна необходимо изменить индекс фазовой модуляции.
На выходе перемножителей 45 и 46 образуются следующие гармонические напряжения:
10
10
u(t)=U⋅Cos (Ω-α),
11
11
c
u(t)=U⋅Cos(Ω-β), 0≤t≤T,
где
с индексом фазовой модуляции
которые выделяются узкополосными фильтрами 51 и 52 соответственно и поступают на первые входы фазометров 53 и 55, на вторые входы которых подается напряжение опорного генератора 25
o
o
u(t)=U⋅CosΩt.
Фазометры 53 и 55 обеспечивают точное, но неоднозначное измерение угловых координат α и β нефтяного пятна, которые фиксируются блоком 36 регистрации.
Для устранения возникающей при этом неоднозначности отсчета углов α и β необходимо уменьшить индекс фазовой модуляции без уменьшения отношения Это достигается автокорреляторами, состоящими из линии задержки 47 (48) и фазового детектора 49 (50), что эквивалентно уменьшению индекса фазовой модуляции до величины
На выходе автокорреляторов образуются напряжения:
12
12
u(t)=U⋅Cos(Ω-α),
13
13
c
u(t)=U⋅Cos(Ω-β), 0≤t≤T
m2
о
с индексом фазовой модуляции Δϕ, которые поступают на первые входы фазометров 54 и 56, на второй вход которых поступает напряжение u(t) опорного генератора 25. Фазометры 54 и 56 обеспечивают грубое, но однозначное измерение углов α и β нефтяного пятна, которые фиксируются блоком 36 регистрации.
Таким образом, предлагаемый способ по сравнению с прототипом и другими техническими решениями аналогичного назначения обеспечивает повышение точности и однозначности определения местоположения нефтяного пятна. Это достигается за счет использования радиолокатора, пеленгатора и сложных сигналов с фазовой манипуляцией, а также определения дальности Д от вертолета до нефтяного пятна, его азимута α и угла места β.
Сложные сигналы с фазовой манипуляцией обладают хорошей корреляционной функцией, высокой помехоустойчивостью, энергетической и структурной скрытностью.
Энергетическая скрытность данных сигналов обусловлена их высокой сжимаемостью во времени и по спектру при оптимальной обработке, что позволяет снизить мгновенную излучаемую мощность. Вследствие этого сложный ФМн сигнал в точке приема может оказаться замаскированным шумами и помехами. Причем энергия сложного ФМн сигнала отнюдь не мала, она просто распределена по частотно-временной области так, что в каждой точке этой области мощность сигнала меньше мощности шумов и помех.
Структурная скрытность сложных ФМн сигналов обусловлена большим разнообразием их форм и значительными диапазонами изменений параметров, что затрудняет оптимальную или хотя бы квазиоптимальную обработку сложных ФМн сигналов априорно неизвестной структуры с целью повышения чувствительности приемников радиолокатора и пеленгатора.
Указанные сигналы позволяют также применять современный вид селекции - структурную селекцию.
Использование предлагаемого способа на просторах арктического Севера позволяет значительно снизить тот потенциальный экономический и экологический вред, который существует при добыче нефти в шельфовой зоне материка.