СИСТЕМА ОБНАРУЖЕНИЯ И МОНИТОРИНГА ЗАГРЯЗНЕНИЙ МОРСКОГО НЕФТЕГАЗОВОГО ПРОМЫСЛА
SYSTEM FOR DETECTING AND MONITORING CONTAMINATION OFFSHORE OIL AND GAS FIELD

Изобретение относится к технике экологического контроля, в частности к автоматизированным системам раннего обнаружения и мониторинга аварийных разливов нефти, техногенных катастроф, и может использоваться в составе систем экологического мониторинга природных сред.
Одной из наиболее острых проблем современной экологии в ее аспектах, связанных с состоянием окружающей среды, является загрязнение водных экосистем нефтью и продуктами ее переработки (бензин, керосин, мазут и др.), которые, попадая в водоемы, подавляют жизнедеятельность флоры и фауны. Растворяющиеся в воде фракции нефти являются остротоксичными для подавляющего большинства гидробионтов, а образующаяся на воде нефтяная пленка препятствует прониканию кислорода в толщу воды, нарушая дыхание водных организмов. Наиболее опасными следует считать крупномасштабные аварийные разливы нефти, которые способны оказывать долгосрочное и губительное воздействие на окружающую среду, включая биоту, а иногда и на население. Так, авария на нефтегазодобывающей платформе Deep water Horizon в Мексиканском заливе, ставшая крупнейшей в истории США, привела к попаданию 760000 т нефти в окружающую среду. Общая сумма затрат на ликвидацию аварии и выплаты пострадавшим составила около $40 млрд. Последствия разлива трудно оценимы и сказываются до сих пор. Аварийные разливы могут представлять опасность в первые часы и дни после разлива, а могут, в силу характера распространения нефтяного пятна, климатических особенностей, химического состава нефти и других факторов, которые в каждом конкретном случае являются уникальными, представлять опасность в течение многих лет.
Все это определяет актуальность проблемы ликвидации разливов нефти, которая вплотную связана с задачей создания надежной системы раннего обнаружения и мониторинга аварийного разлива нефти, что может позволить минимизировать выброс нефти в окружающую среду на начальной стадии аварийной ситуации. Мониторинг также необходим и на стадии ликвидации разливов для локализации разлива, его блокирования, управления самим процессом ликвидации и для контроля качества очистки как воды, так, в частности, льда и снега от нефтяного загрязнения.
К настоящему времени для диагностики верхних слоев водных объектов применяют лидары, размещаемые на самолетах, кораблях или стационарно.
Флуоресцентные лидары самолетного и судового базирования, разработанные эстонской компанией Laser Diagnostic Instruments AS (LDI), позволяют достаточно быстро и эффективно определять загрязнения, в частности, нефтегенные на больших площадях водной поверхности (S.Babichenko, Laser Remote Sensing of the European Marine Environment: LIF technology and Applications. In "Remote Sensing of the European Seas", Vittorio Barale and Martin Gade (Editors), Springer, 2008, 189-204 [1]). В качестве лазерного излучателя в лидаре используется эксимерный лазер, генерирующий УФ-излучение с длиной волны 308 нм. Использование высокой мощности эксимерного лазера позволяет производить зондирование поверхности воды с дистанции ~500 м.
Создание высокопроизводительного комплекса мониторинга реализовано с использованием самолета, на борту которого собраны устройства, позволяющие обнаруживать и максимально подробно исследовать нефтяные загрязнения (N. Robbe, Т. Hengstermann, D. Mach, Oil Spill Remote Sensing from Airborne Maritime Surveillance Platforms. EARSeL Conference "Remote Sensing of the Coastal Zone: from Inland to Marine Waters", 2012 [2]). Комплекс авиационного базирования включает радар бокового обзора SLAR, флуоресцентный панорамный лидар IALFS, UV/IR сканеры, сканер видимого диапазона, СВЧ-радиометр для получения изображения на частотах 18.7, 36.5 и 89 МГц, ИК-систему лазерного видения FLIR, систему сбора и обработки информации MEDUSA.
Однако содержание самолета с комплексом мониторинга в режиме ожидания аварийной ситуации достаточно дорого.
Этого недостатка лишены стационарные посты дистанционного мониторинга, использующие для регистрации нефтяных загрязнений отражение видимого или ИК-излучения от водной поверхности (Анучин Е.Н., Зурабян А.З., Грачев И.А., Попов А.П. «Оптический регистратор нефтяных пленок на взволнованной водной поверхности». «Оптический журнал». Том 72, 2005 г., №3, с. 11-13 [3]). Более информативна регистрация УФ индуцированной флуоресценции приповерхностного слоя вод, LDI Remote Oil Watcher (ROW) Детектор Нефтепродуктов, http://www.ldi.ее/index.php?main=400. В обоих случаях в качестве источников излучения дистанционных флуоресцентных детекторов нефтепродуктов используются импульсные светодиоды УФ, видимого или ИК-диапазонов. Дистанционные флуоресцентные детекторы нефтяных загрязнений относительно дешевы, характеризуются компактностью и низкой стоимостью эксплуатации. Однако расстояние зондирования не превышает 10 м, что может ограничивать возможности их применения на больших акваториях.
Тем не менее, стационарное базирование позволяет проводить дистанционный экологический мониторинг на больших акваториях при использовании в качестве носителей плавучих платформ (заявка RU №2012110488. «Комплекс экологического мониторинга водных объектов» [4]). Для многопараметрического определения характеристик вод помимо дистанционного детектора загрязнений, в частности компактного многоволнового лидара, находящегося в непосредственной близости от водной поверхности, комплекс экологического мониторинга включает в себя находящийся в плавающем или погружном состоянии модуль с набором контактирующих с водой датчиков. Комплекс экологического мониторинга позволяет автоматически получать и обрабатывать широкий набор данных о качестве поверхностных вод. Однако плавучие платформы с лидаром не предназначены для использования в ледовых условиях.
Недостатков, связанных с применением лидаров в ледовых условиях, лишен разработанный EIC Laboratories, США, погружной флуоресцентный лидар для обнаружения тяжелой нефти на морском дне и в толще воды (патент US №7728291 [5]). Подводный флуоресцентный лидар использует для зондирования поляризованное лазерное излучение. Регистрация обратного излучения производится для двух различных поляризаций, что позволяет избирательно, по сравнению с другими флуоресцирующими веществами, обнаруживать тяжелые нефтяные фракции, индуцированное флуоресцентное излучение которых благодаря высокой вязкости также поляризовано. Детектор содержит излучатель, приемное устройство и контроллер с системами сбора, предварительной обработки и беспроводной передачи данных на удаленные интерфейсы, размещенные в герметичном корпусе, снабженном расположенным на нижней поверхности корпуса окном, прозрачным для зондирующего и обратного излучений. Устройство, которое может располагаться на подводных дистанционно управляемых платформах, и метод регистрации предназначены для обнаружения и мониторинга разлива или утечки тяжелой нефти с удельным весом, превышающим удельный вес воды, в том числе, в регионах с ледовым покровом. В качестве недостатка применения указанных устройства и метода можно отметить ограниченное количество определяемых характеристик вод и загрязнений, отсутствие регистрации поверхностного разлива нефти. Кроме этого, использование только указанного устройства не обеспечивает раннее обнаружение и мониторинг аварийных разливов нефти на больших акваториях морского нефтегазового промысла.
Известна также система обнаружения и мониторинга загрязнений морского нефтегазового промысла (патент RU №2522821 C1, 20.07.2014 [6]), которая предназначена для раннего обнаружения и мониторинга аварийных разливов нефти в зоне морского нефтегазового промысла, в частности на арктическом шельфе.
Известная система обнаружения и мониторинга загрязнений морского нефтегазового промысла [6] включает в себя сеть дистанционных детекторов загрязнений, в частности флуоресцентных лидаров, по меньшей мере часть которых установлена на нефтегазодобывающей платформе; сеть установленных на удалении от нефтегазодобывающей платформы автоматических плавучих комплексов мониторинга (КМ), каждый из которых содержит набор контактирующих с водой датчиков, включая датчики регистрации нефтегенных углеводородов и датчики, измеряющие физико-химические и гидрологические параметры воды, и находящийся в плавающем или в погружном, в частности, в подледном положении герметичный буй, в котором размещены программируемый контроллер с системами сбора, предварительной обработки и передачи данных, генерируемых датчиками КМ, на удаленные интерфейсы; и единую автоматизированную информационную систему (ИС) с функциями сбора, обработки и хранения данных, передаваемых на интерфейсы ИС дистанционными детекторами загрязнений и плавучими КМ.
При этом флуоресцентные лидары или лидарные комплексы установлены на терминалах отгрузки нефти, в частности на устройствах прямой отгрузки нефти на танкеры, на танкерах, осуществляющих транспортировку нефти, на каждом судне, обслуживающем морской нефтегазовый промысел, в частности на ледокольном судне или судне, оборудованном для ликвидации последствий аварийных ситуаций, на всех стационарных объектах морского нефтегазового промысла, при этом вблизи указанных стационарных объектов установлены плавучие КМ, на промежуточном плавучем нефтехранилище, используемом при транспортировке нефти, и дополнительная сеть КМ установлена на удалении от промежуточного плавучего нефтехранилища, при этом дополнительная сеть плавучих КМ установлена вдоль пути транспортировки нефти, в частности вдоль трубопровода, используемого для транспортировки нефти.
При этом система мониторинга содержит авиационный комплекс экологического мониторинга, размещаемый на борту авианосителя, интерфейсы ИС, предназначенные для приема данных мониторинга, размещены на нефтегазодобывающей платформе, автоматизированная ИС оснащена функциями определения превышения установленных порогов загрязнения и сигнализации о них, построения прогнозных моделей распространения загрязнения, оценки его токсичности, и предоставления в чрезвычайной ситуации сценария управляющих решений, направленных на минимизацию экологических рисков, каждый плавучий КМ снабжен датчиками, измеряющими радиоактивность, характеризующую, в частности, содержание в воде радионуклидов нефтегенного происхождения, каждый плавучий КМ снабжен контактирующим с водой датчиком, измеряющим электропроводность, изменение которой характеризует, в частности, разлив нефти и пластовых вод с содержащимися в них металлами, каждый плавучий КМ снабжен датчиками, регистрирующими данные о глубине погружения, скорости и направлении водных течений, необходимые при построении прогностических моделей переноса загрязнений, каждый плавучий КМ снабжен датчиками, измеряющими показатели состояния вод, такие, как температура, содержание кислорода, кислотность, влияющие на физико-химическую трансформацию нефтегенных углеводородов, часть плавучих КМ имеет размещенный внутри герметичного буя компактный флуоресцентный лидар, при этом буй имеет прозрачное для зондирующего и обратного излучения оптическое окно, снабженное чистящей щеткой и экраном, сводящим к минимуму внешнюю засветку окна, упомянутое окно размещено на верхней части буя, у части плавучих КМ буй снабжен устройством, обеспечивающим инвариантность расстояния между буем и поверхностью льда, у части плавучих КМ буй заполнен газом, отличным от воздуха, часть плавучих КМ имеет кабель трос, обеспечивающий электропитание КМ и передачу данных, часть КМ крепится ко дну, часть КМ размещена на беспилотных дистанционно-пилотируемых подводных платформах.
Техническим результатом известного изобретения [6] является создание надежной системы раннего обнаружения аварийного разлива нефти на объектах морского нефтегазового промысла, в том числе, в сложных условиях Арктики. Указанный технический результат, обеспечиваемый приведенной совокупностью признаков, реализуется за счет дистанционного обнаружения и мониторинга надводными флуоресцентными лидарами нефтегенных загрязнений вблизи нефтегазодобывающей платформы и на путях транспортировки нефти за счет зондирования мест, свободных от льда: вблизи терминалов прямой отгрузки нефти на танкеры, в следе ледокольных судов и танкеров.
Однако в известном техническом решении [6] «измерение на больших акваториях нефтегенных загрязнений, в том числе, в сложных ледовых условиях широкого набора физико-химических и гидрологических параметров воды за счет оснащения всех объектов морского нефтегазового промысла лидарами и сетью плавучих, в частности погружных КМ», выполняется в основном флуоресцентными лидарами и частью набора контактных датчиков, в том числе, измеряющих содержание в воде нефтегенных углеводородов, радионуклидов, характерных для нефти, и электропроводность, изменение которой характеризует, в частности, разлив нефти и пластовых вод с содержащимися в них металлами, что в условиях наличия сплошных ледовых полей существенно ограничивает применение данного технического решения.
Кроме того, использование плавучих КМ в условиях ледовых образований, также существенно ограничивает использование известного способа.
Задачей настоящего технического решения является повышение надежности и расширение функциональных возможностей мониторинга загрязнений морского нефтегазового промысла.
12
2
Поставленная задача решается за счет того, что система обнаружения и мониторинга загрязнений морского нефтегазового промысла, включающая в себя сеть дистанционных детекторов загрязнений, в частности флуоресцентных лидаров, по меньшей мере часть которых установлена на нефтегазодобывающей платформе, сеть установленных на удалении от нефтегазодобывающей платформы автоматических плавучих комплексов мониторинга (КМ), каждый из которых содержит набор контактирующих с водой датчиков, включая датчики регистрации нефтегенных углеводородов и датчики, измеряющие физико-химические и гидрологические параметры воды, и находящийся в плавающем или в погружном, в частности, в подледном положении герметичный буй, в котором размещены программируемый контроллер с системами сбора, предварительной обработки и передачи данных, генерируемых датчиками КМ и единую автоматизированную информационную систему (ИС) с функциями сбора, обработки и хранения данных, передаваемых на интерфейсы ИС дистанционными детекторами загрязнений и плавучими КМ дополнительно содержит биосенсор для непрерывного контроля тяжелых металлов в воде, датчик ядерно-магнитного резонанса (ЯМР), датчик электронного парамагнитного резонанса, реактор на тепловых нейтронах с откатным коробом в активной зоне (нейтронный поток 2×10 н/(см·с)) и стационарной установкой гамма-излучения с мощностью дозы до 1000 Р/ч, спектрометрическую установку с системой поддержания пластового давления (ППД), радиометрическую низкофоновую установку, генераторы СВЧ-излучений различных частот от 0,1-60 ТГц, образцовые голографические матрицы с записанными спектрами ЯМР атомов веществ (металлов и органических веществ) и идентифицируемых веществ, информационный блок морских карт и цветных космических фотоснимков районов поиска, электромагнитную камеру (Кирлиан-камеру) для визуализации затопленных объектов на аэрокосмических снимках и переноса их на морскую карту района поиска с помощью видеокамеры, совмещенных с ПЭВМ, приемно-фазовые антенны широкого обзора, приемник GPS тар-60, программный комплекс ПЭВМ для определения координат затопленных объектов и отображения их на морской карте района, стационарный идентификационный комплекс для последовательной расшифровки резонансных распознавательных спектров искомых веществ, центр для обработки геофизических характеристик уточнения (проверки) результатов идентификации объектов и определения глубин их заноса грунтом, редакционно-издательский комплекс для подготовки карт, отчетных документов и материалов по интегральной идентификации объектов и взрывчатых изделий, защищенный ноутбук, совмещенный с приемником глобальной системы позиционирования CPS-map-60M с программным продуктом по идентификации различных типов ОВ и определению координат и глубин заноса грунтом затопленных контейнеров с ОВ, приборы лазерной подсветки с портативной радиостанцией для поддержания связи между группами лазерной подсветки района обследования, видеоаппаратуру и компьютерную технику с программным продуктом для оперативного получения и обработки выполненных измерений резонансных электромагнитных полей над обнаруженным объектом со взрывчатыми веществами, прибор для сканирования электромагнитных высокочастотных полей, позволяющего регистрировать резонансные частотные спектры ракетного топлива в затопленных ракетах, высокочастотный параметрический эхолот-профилограф для визуализации объектов, находящихся под слоем грунта (песок, ил) до глубин 6 м, атомно-абсорбционный спектрофотометр, блок тестовых носителей резонансных спектров металлов на основе смесей лактозы, поливинилового спирта и микроколичества редких элементов.
12
2
В отличие от прототипа [6] система обнаружения и мониторинга загрязнений морского нефтегазового промысла дополнительно содержит биосенсор для непрерывного контроля тяжелых металлов в воде, датчик ядерно-магнитного резонанса, датчик электронного парамагнитного резонанса, реактор на тепловых нейтронах ИР-100 с откатным коробом в активной зоне (нейтронный поток 2×10 н/(см·с)) и стационарной установкой гамма-излучения с мощностью дозы до 1000 Р/ч, спектрометрическую установку с ППД, радиометрическую низкофоновую установку, генераторы СВЧ-излучений различных частот от 0,1-60 ТГц, образцовые голографические матрицы с записанными спектрами ЯМР атомов веществ (металлов и органических веществ) и идентифицируемых веществ, информационный блок морских карт и цветных космических фотоснимков районов поиска, электромагнитную камеру (Кирлиан-камеру) для визуализации затопленных объектов на аэрокосмических снимках и переноса их на морскую карту района поиска с помощью видеокамеры «Стейшн-5Н», совмещенных с ПЭВМ, приемно-фазовые антенны широкого обзора, приемник GPS тар-60, программный комплекс ПЭВМ для определения координат затопленных объектов и отображения их на морской карте района, стационарный идентификационный комплекс для последовательной расшифровки резонансных распознавательных спектров искомых веществ, центр для обработки геофизических характеристик уточнения (проверки) результатов идентификации объектов и определения глубин их заноса грунтом, редакционно-издательский комплекс для подготовки карт, отчетных документов и материалов по интегральной идентификации объектов и взрывчатых изделий, защищенный ноутбук Cetas А-770, совмещенный с приемником глобальной системой позиционирования CPS-map-60M с программным продуктом по идентификации различных типов ОВ и определению координат и глубин заноса грунтом затопленных контейнеров с ОВ, приборы лазерной подсветки с портативной радиостанцией для поддержания связи между группами лазерной подсветки района обследования, видеоаппаратуру и компьютерную технику с программным продуктом для оперативного получения и обработки выполненных измерений резонансных электромагнитных полей над обнаруженным объектом со взрывчатыми веществами, прибор для сканирования электромагнитных высокочастотных полей (КВЧ-ИКА «^m-Tech»), позволяющего регистрировать резонансные частотные спектры ракетного топлива в затопленных ракетах, высокочастотный параметрический эхолот-профилограф для визуализации объектов, находящихся под слоем грунта (песок, ил) до глубин 6 м, атомно-абсорбционный спектрофотометр, блок тестовых носителей резонансных спектров металлов на основе смесей лактозы, поливинилового спирта и микроколичества редких элементов.
Биосенсор для непрерывного контроля тяжелых металлов в воде включает кюветное отделение, выполненное в виде защищенной от света проточной термостатируемой ячейки. Внутри ячейки на поверхности воды расположен чувствительный элемент биосенсора, представляющий собой плавающую пластинку с закрепленным на ней светящимся мицелием гриба Neonothopanus nambi. На верхней панели ячейки размещен фотодатчик, фиксирующий изменения интенсивности свечения чувствительного элемента при появлении в воде тяжелых металлов и передающий сигнал в регистрирующее устройство (аналог см., например, патент на полезную модель RU №117432 U1).
Высокочастотный параметрический эхолот-профилограф представляет собой морской параметрический эхолот-профилограф типа «SIKINS» серии SBP.
Атомно-абсорбционный спектрофотометр построен на базе серийно выпускаемого атомно-абсорбционного спектрофотометра типа «Сатурн-4М».
Приборы аэрофотосъемки типа ТАВР-MI, UMK с лазерной «подсветкой» района обследования размещены на беспилотных дистанционно-пилотируемых платформах.
Приборы регистрации загрязнений могут быть установлены как непосредственно на нефтегазодобывающей платформе, так и на плавучих КМ, на беспилотных дистанционно-пилотируемых платформах.
12
2
Реактор на тепловых нейтронах представляет собой реактор типа ИР-100 с откатным коробом в активной зоне (нейтронный поток 2×10 н/(см·с)) и стационарной установкой гамма-излучения с мощностью дозы до 1000 Р/ч.
Информационный блок морских карт и цветных космических фотоснимков районов поиска также содержит электромагнитную камеру (Кирлиан-камеру) для визуализации затопленных объектов на аэрокосмических снимках и переноса их на морскую карту района поиска с помощью видеокамеры «Стейшн-5Н», совмещенных с ПЭВМ. Защищенный ноутбук представляет собой ноутбук типа «Cetas А-770», совмещенный с приемником глобальной системой позиционирования CPS-map-60М с программным продуктом по идентификации различных типов ОВ и определению координат и глубин заноса грунтом затопленных контейнеров с ОВ.
Портативная радиостанция предназначена для поддержания связи между группами лазерной подсветки района обследования.
Видеоаппаратура и компьютерная техника с программным продуктом предназначена для оперативного получения и обработки выполненных измерений резонансных электромагнитных полей над обнаруженным объектом с взрывчатыми веществами. Прибор для сканирования электромагнитных высокочастотных полей (КВЧ-ИКА «^m-Tech») позволяет регистрировать резонансные частотные спектры ракетного топлива в затопленных ракетах.
В основу предлагаемого способа взят метод дистанционной идентификации различных веществ по измерению характерного распознавательного признака - высокочастотного резонансного информационно-энергетического спектра атомов различных металлов, органических и неорганических веществ. Способ реализуется с помощью приемопередающей резонансной, лазерной аппаратуры и установок ЯМР. Аппаратура обеспечивает запись информационно-энергетических спектров с образцов идентифицируемых веществ либо характерных металлов, входящих в состав конструкционных материалов затопленных объектов. Данные спектры записываются с помощью установки ЯМР или атомно-абсорбционного спектрофотометра на полиметаллоорганические носители (матрицы), которые активируются с помощью высокочастотного гамма-излучения на исследовательском ядерном реакторе ИР-100. С матриц резонансные частотные спектры модулируются генераторами СВЧ-излучения (0,1-10 ТГц) и направляются узконаправленными антеннами на искомый объект.
4
При возникновении резонансных явлений в материале (корпусе) затопленного объекта над ним образуется характерное магнитное поле, которое регистрируется приборами-приемниками, настроенными на резонансную частоту этого поля. Высокая чувствительность аппаратуры обеспечивает дальность обнаружения объектов непосредственно до 5 км, а также позволяет считывать частотный резонансный спектр различных веществ непосредственно с космического фотоснимка, выполненного при лазерной «подсветке» района поиска (6 км * 6 км). Для визуализации границ контуров объектов могут быть использованы и космические фотоснимки, которые обрабатываются в радиационных полях дозами гамма-излучения более 5-10 Р.
Достоинства и отличительные особенностями предлагаемого способа являются универсальность, возможность дистанционного поиска любых типов конструкционных материалов затопленных объектов по их характерным информационно-энергетическим спектрам, высокая степень достоверности избирательного обнаружения конкретного металла, химического вещества, полиметаллов в объекте, в руде, в минерале, в воде (более 90%), возможность дистанционного определения границ контуров районов с затопленными объектами и крупных объектов по расшифровке космического фотоснимка, что обеспечивает масштабность проведения поисковых работ и их оперативность, мобильность аппаратуры, позволяющая использовать ее при установке на плавсредствах, на беспилотных дистанционно-пилотируемых платформах и непосредственно на нефтегазодобывающей платформе.
Система обнаружения и мониторинга загрязнений морского нефтегазового промысла посредством флуоресцентных лидаров функционирует так же, как и в прототипе [6].
В процессе добычи нефти и газа на морском шельфе посредством сети дистанционных детекторов загрязнений, выполненных в виде компактных флуоресцентных лидаров, периодически производят зондирование водной поверхности вблизи мест своего размещения, а именно: вблизи нефтегазодобывающей платформы, в следе танкеров, осуществляющих транспортировку нефти, и судов, обслуживающих морской нефтегазовый промысел, в частности в следе ледокольных судов, оборудованных, в том числе, для ликвидации последствий аварийных ситуаций. Установка дистанционных детекторов загрязнений на терминалах отгрузки нефти, в частности на устройствах прямой отгрузки нефти на танкеры, позволяет зондировать водную поверхность вблизи нефтегазодобывающей платформы в ледовый период, поскольку провод танкеров к терминалам отгрузки нефти обеспечивается ледокольными судами.
Установка лидаров на танкерах и на ледокольных судах обеспечивает возможность раннего обнаружения и мониторинга разливов нефти на путях ее транспортировки, в местах отгрузки и доставки.
Зондирующее излучение дистанционных детекторов загрязнений, в частности УФ-излучение флуоресцентных лидаров, вызывает обратное излучение (ОИ), во-первых, на длине волны зондирующего УФ-излучения - обратное рассеяние, во-вторых, в стоксовой, более длинноволновой, области спектра. Спектр ОИ в стоксовой области определяется флуоресценцией растворенных, взвешенных органических примесей, пленок в зондируемой толще воды и на поверхности, и комбинационным рассеянием (КР). Спектр КР воды представляет узкую линию, жестко смещенную в стоксовую область от длины волны зондирования на 3440 обр. см. Спектральный максимум флуоресцентного излучения в зависимости от вида нефтепродуктов находится в спектральном диапазоне от длины волны зондирующего лазерного УФ-излучения до ~400 нм. Детализация измеряемого спектрального сигнала определяется количеством приемных каналов системы регистрации ОИ. В лидаре, в зависимости от типа системы регистрации ОИ, количество приемных каналов лидара может быть от минимум четырех до нескольких сотен. С помощью системы сбора и обработки данных лидара производится вычитание фонового сигнала и нормировка спектра ОИ реперным сигналом, в качестве которого может быть использован сигнал КР воды, зависящий только от прозрачности воды на длине волны УФ излучения лазера и энергии лазера. Полученный при зондировании нормированный спектр ОИ воды не зависит от дистанции, волнения, угла зондирования и флуктуации мощности лазера. В соответствии с разработанной методикой по измеренным данным рассчитывается концентрация в воде органических веществ, в частности нефтепродуктов, и определяется наличие или отсутствие пленки масел и нефтепродуктов на поверхности воды в данном месте в данное время. Входящая в состав каждого лидара система передачи данных, например в виде модема с антенной, передает их на интерфейсы единой автоматизированной информационной системы (ИС) с функциями сбора, обработки и хранения данных о состоянии поверхностных вод.
Поскольку спектр лазерно-индуцированной флуоресценции нефти перестает существенно изменяться из-за насыщения при увеличении толщины пленки нефти свыше ~20 мкм, для измерений в более широком диапазоне загрязнений может использоваться лидарный комплекс, в частности многоволновой лидар, в котором наряду с УФ-излучением используется инфракрасное (ИК) или видимое зондирующее излучение, как это известно из патентной заявки RU №2012110488. Зондирование может производиться компактным импульсно-периодическим Nd:YAG лазером, генерирующим импульсы излучения на длине волны одной из гармоник высшего порядка: 266 или 354 или 532 нм и на длине волны 1064 нм основной гармоники. Это позволяет использовать в качестве многоволнового импульсно-периодического лазерного излучателя доступный и надежный малогабаритный серийно производимый твердотельный лазер. Зондирующее ИК-излучение вызывает сигнал обратного излучения на длине волны лазерного ИК-излучения, величина которого сильно зависит от наличия на воде пленки нефтепродуктов из-за различия коэффициентов отражения света для нефтепродуктов и воды.
Непосредственно на нефтегазовой добычной платформе может быть установлен также комплекс лазерной дистанционной диагностики загрязнений поверхностных вод нефтепродуктами, отличительной особенностью которого является то, что в качестве излучателя используется CO2-лазер, генерирующий излучение в дальней инфракрасной области спектра (патент RU №66539 U1).
При использовании СO2-лазера, генерирующего излучение на длине волны 10,6 мкм, контраст в отражательной способности воды, покрытой пленкой нефтепродуктов, и чистой водой составляет 4,7-4,9. При этом соленость воды, изменение температуры ее поверхности в диапазоне 10-50°C, наличие пены, волнение существенно не влияют на отражательную способность пленки нефти и нефтепродуктов и позволяют точно определять характер загрязнения.
Для возможности регистрации разливов с большой толщиной пленки нефти наряду с флуоресцентными лидарами могут использоваться и другие дистанционные детекторы загрязнений, например СВЧ-радиометры.
Одновременно вне зоны действия лидаров, установленных на нефтегазодобывающей платформе, ведется сбор и передача данных о состоянии вод с помощью сети установленных на удалении более 30 м, предпочтительно, на расстоянии 500-1000 м от нефтегазодобывающей платформы автоматических плавучих комплексов мониторинга (КМ) или беспилотных летательных аппаратов (БЛА) и беспилотных подводных платформ (БПП) на расстоянии 1000-8000 м от нефтегазодобывающей платформы. Посредством датчиков, входящих в состав КМ, БПА и БПП, производится регистрация нефтегенных углеводородов и физико-химических и гидрологических параметров воды. С помощью программируемых контроллеров, которыми снабжены плавучие КМ, БПА и БПП, осуществляется сбор, предварительная обработка данных измерительных датчиков и предпочтительно беспроводная передача данных на удаленные интерфейсы информационной системы. Автоматизированная информационная система осуществляет сбор, обработку, анализ и хранение данных, передаваемых на интерфейсы ИС со всех дистанционных датчиков загрязнений. На основе обработки данных о состоянии вод контролируемого водного объекта ИС определяет превышение установленных порогов загрязнения и сигнализирует о них, строит прогнозную модель распространения загрязнения, производит оценку его токсичности и, в целом, предоставляет информацию для принятия управленческих решений в соответствии с экологической обстановкой. ИС также строит карту параметров состояния вод для текущего момента времени и в случае возникновения чрезвычайной ситуации предлагает сценарий управляющих решений, направленных на минимизацию экологических рисков.
В предпочтительных вариантах изобретения каждый плавучий КМ содержит следующий набор контактирующих с водой датчиков:
- датчики регистрации нефтегенных углеводородов;
- датчики, измеряющие радиоактивность, характеризующую, в частности, содержание в воде радионуклидов нефтегенного происхождения;
- датчик, измеряющий электропроводность, изменение которой характеризует, в частности, разлив нефти и пластовых вод с содержащимися в них металлами;
- датчики, регистрирующие данные о глубине погружения, скорости и направлении водных течений, необходимые при построении прогностических моделей переноса загрязнений;
- датчики, измеряющие показатели состояния вод, такие, как температура, содержание кислорода, кислотность, влияющие на физико-химическую трансформацию нефтегенных углеводородов.
В процессе работы системы мониторинга в каждом КМ часть датчиков регистрирует наличие нефтегенных углеводородов в составе нефти, или в составе природных выделений вненефтяного происхождения, или в составе нефтепродуктов. Предпочтительно, что один из датчиков для регистрации нефтегенных углеводородов работает на принципе УФ-флуориметрии, а другой - на принципе ИК-рассеяния. Измерения проводятся на достаточном удалении от поверхности воды, позволяющем предохранить датчики от замазучивания в случае разлива нефти. Датчик, измеряющий радиоактивность, регистрирует радиоактивность нефти, пластовых вод и других источников радиоактивности. Кондуктометрический датчик измеряет электропроводность, изменение которой характеризует, в частности, разлив нефти и пластовых вод с содержащимися в них металлами, ионы которых увеличивают проводимость, причем у пластовых вод соленость и минерализация намного выше, чем те же показатели для моря. Одновременное изменение показаний указанных датчиков над фоновыми свидетельствует именно о наличии нефти, а не, в частности, продуктов ее переработки: бензина, мазута, солярки и т.д.
Часть датчиков КМ измеряет глубину погружения, скорость и направление водных течений, необходимые при построении прогностических моделей переноса загрязнений. Часть датчиков КМ измеряет показатели состояния вод такие, как температура, содержание кислорода, кислотность, влияющие на физико-химическую трансформацию нефтегенных углеводородов. Таким образом, указанные контактные датчики КМ измеряют данные, необходимые при построении единой информационной системой прогностических моделей переноса и трансформации нефтегенных загрязнений.
В одном из вариантов, описанном в патентной заявке RU №2012110488, плавучий КМ содержит лидар, генерирующий излучение по меньшей мере в УФ-диапазоне. В этом варианте лидар размещен в водонепроницаемом контейнере, закрепленном на компактной плавающей платформе в виде катамарана с помощью подвеса, устраняющего влияние ветрового волнения на положение контейнера. Плавающая платформа и контейнер выполнены сводящими к минимуму фоновую засветку приемных каналов и зоны зондирования, а погруженная в воду часть плавающей платформы, крепящейся ко дну, выполнена проницаемой для водных течений. В этом варианте комплекса мониторинга погружной буй с набором контактирующих с водой датчиков скреплен с заякоренной плавающей платформой. Применение плавучих КМ в указанном виде позволяет с высокой надежностью обнаруживать, распознавать и идентифицировать загрязнения в местах установки комплекса контактными и дистанционными лидарными средствами регистрации загрязнений. Однако размещение дистанционного детектора загрязнений - лидара на плавающей платформе ограничивает возможности его применения в ледовый период, когда используется только погружной модуль КМ в виде буя с набором контактных датчиков, представляющих собой лазерно-флуоресцентный анализатор, который включает источник излучения, оптическое волокно для ввода излучения в исследуемую среду и систему детектирования. Для регистрации сигнала люминесценции дополнительно включено второе оптическое волокно, при этом использован волоконно-оптический зонд, выполненный с возможностью установки на резьбовой фланец в потоке анализируемой среды и представляющий собой сборную конструкцию, в которой волоконно-оптические световоды закреплены в одной плоскости так, что их оптические апертуры перекрываются. Концы волокон заключены в пластиковый непрозрачный кабель, а в торцевой части зонда волоконные световоды вклеены в металлическую оправку под острым углом друг к другу, что позволяет упростить процесс измерений при непрерывном дистанционном мониторинге загрязнения водной среды (аналог патент на изобретение RU №2263897 C2, 10.11.2005) за счет исключения операций, связанных с очисткой окон погружного буя.
В варианте изобретения по меньшей мере часть КМ может быть размещена на беспилотных дистанционно-пилотируемых подводных платформах.
При этом дистанционно-пилотируемые платформы КМ осуществляют подо льдом перемещение КМ по акватории, что позволяет минимизировать количество КМ, обеспечивающих достаточную полноту информации о состоянии водного объекта.
Выполнение КМ в предложенном виде повышает функциональные возможности автоматизированной системы раннего обнаружения и мониторинга аварийных разливов нефти и газового конденсата в районе морского нефтегазового промысла.
Единая автоматизированная информационная система (ИС) осуществляет сбор, обработку и хранение данных, передаваемых на интерфейсы ИС сетью дистанционных детекторов загрязнений и сетью плавучих КМ, строит карту параметров состояния вод в зоне нефтегазового промысла для текущего момента времени. Аналогично тому, как описано выше, единая автоматизированная ИС определяет превышения установленных порогов загрязнения и сигнализирует о них и местах их обнаружения, строит прогнозную модель распространения нефтяного загрязнения, производит оценку токсичности разлива и, в целом, предоставляет информацию для принятия управленческих решений в соответствии с экологической обстановкой, в частности, в виде сценария управляющих решений, направленных на минимизацию экологических рисков.
Предлагаемая система обнаружения и мониторинга загрязнений морского нефтегазового промысла представляет собой автономный аппаратно-программный комплекс прогнозирования состояния морской среды на наличие приоритетных экотоксикантов и предназначена для непрерывного контроля экологического состояния морских акваторий, в частности, в местах захоронения потенциально радиационно- и химически опасных объектов и районах нефтегазодобычи на морском шельфе. При этом обеспечивается определение гидрохимического состава природных вод, наличие отравляющих веществ, подводных потенциально опасных объектов, выявление зон техногенного химического загрязнения, наличие экотоксикантов, радионуклидов, токсических веществ, тяжелых металлов в воде.
Изобретение позволяет создать надежную систему раннего обнаружения аварийного разлива нефти на объектах морского нефтегазового промысла, которая обеспечивает оповещение персонала контролируемых объектов для принятия ими оперативных решений, позволяющих минимизировать выброс нефти в окружающую среду на начальной стадии аварийной ситуации, а также обеспечивает высокоэффективный мониторинг нефтяного разлива на стадии его ликвидации и контроль качества очистки как воды, так, в частности, льда и снега от нефтяного загрязнения.
Источники информации
1. S. Babichenko, Laser Remote Sensing of the European Marine Environment: LIF technology and Applications. In "Remote Sensing of the European Seas", Vittorio Barale and Martin Gade (Editors), Springer, 2008, 189-204.
2. N. Robbe, T. Hengstermann, D. Mach, Oil Spill Remote Sensing from Airborne Maritime Surveillance Platforms. EARSeL Conference "Remote Sensing of the Coastal Zone: from Inland to Marine Waters".
3. Анучин E.H., Зурабян A.З., Грачев И.А., Попов А.П. «Оптический регистратор нефтяных пленок на взволнованной водной поверхности». «Оптический журнал». Том 72, 2005 г., №3, с. 11-13.
4. Заявка RU №2012110488.
5. Патент US №7728291.
6. Патент RU №2522821 C1, 20.07.2014.