Мониторинг просадок земной поверхности на нефтегазовых месторождениях методом радарной интерферометрии

УДК 528.88

А.В. Евтюшкин, А.В. Филатов ЮНИИ ИТ, Ханты-Мансийск

МОНИТОРИНГ ПРОСАДОК ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ НА НЕФТЕГАЗОВЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЯХ МЕТОДОМ РАДАРНОЙ ИНТЕРФЕРОМЕТРИИ

В статье рассмотрена методика совместного анализа результатов интерферометрической обработки радарных данных и материалов высокоточной геодезической съемки на территории Самотлорского геодинамического полигона. В результате интерферометрической обработки 18 радарных кадров ALOS\PALSAR получена площадная оценка вертикальных смещений земной поверхности.

A.V. Yevtyushkin, A.V. Filatov

Ugra Research Institute of Information Technologies

151 Mira Str., Khanty-Mansiysk, 628011, Russian Federation

MONITORING OF GROUND SURFACE VERTICAL DISPLACEMENTS IN AREA OF OIL AND GAS FIELDS BY RADAR INTERFEROMETRY

Given work describes method of joint analysis of the results of radar data interferometric processing and materials of first-order geodetic survey on the Samotlor geodynamic polygon. Areal estimation of ground surface vertical displacements is obtained as a result of interferometric processing of 18 ALOS\PALSAR data frames.

Для обеспечения геодинамической безопасности от влияния разработки недр на природную геоэкологическую среду, промышленные и гражданские сооружения, попадающие в площадь горного отвода, проводятся работы по горно-экологическому мониторингу. Для решения таких задач на территории лицензионных участков создаются геодинамические полигоны, состоящие из множества глубинных реперов. На основе анализа и интерпретации результатов комплекса высокоточных геодезических измерений на пунктах геодинамического полигона строятся картосхемы формирующейся мульды оседания. Для наблюдения за динамикой мульды оседания, образующейся в результате извлечения углеводородов, измерения необходимо проводить ежегодно, а для некоторых областей месторождения несколько раз в год. К тому же такой подход позволяет получать величины смещений лишь в точках установки реперов, что зачастую недостаточно для построения площадного покрытия.

Спутниковая радиолокационная интерферометрия является единственным методом дистанционного зондирования, обеспечивающим высокую точность определения высот и смещений за счет использования фазовой компоненты сигнала.

В работе [1] рассмотрены результаты обработки радарных кадров на территорию Самотлорского геодинамического полигона за 2007-2008 гг., в результате которой построены цифровая модель местности и карта вертикальных смещений земной поверхности. Карта смещений отражает

геодинамическое состояние Самотлорского нефтяного месторождения, разрабатываемого более 40 лет, и на качественном уровне согласуется с мульдой оседания, построенной по данным наземных измерений на СГДП [1,

3].

На 2008-09 гг. ставилась задача построения карты смещений Самотлорского месторождения и прилегающих территорий, с целью оценки влияния соседних месторождений на формирование мульды оседания, а также повышения точности вертикальной составляющей. В работах [1, 2] рассмотрены основы метода радарной интерферометрии, а также влияние высокой временной декорреляции, вследствие которой для обработки выбраны радарные данные сенсора L-диапазона АЪО$\РАЪ8АК.

На рисунке 1 приведено покрытие Самотлорского месторождения и прилегающих территорий сценами PALSAR. Космоснимки предоставлены в рамках научного гранта от Японского аэрокосмического агентства ^АХА) по теме «Обнаружение подвижек земной поверхности в районах интенсивной нефтедобычи методом радиолокационной интерферометрии» (07ЛАХАМ^Р N0. 0704001).

Рис. 1. Покрытие сценами АЬ08\РАЬ8АК

В таблице приведены составленные интерферометрические пары снимков и их применение в процессе обработки. Назначение исходных кадров определено в соответствии с параметрами съемки. В результате построены опорная цифровая модель местности и карта вертикальных смещений. Для получения абсолютных значений вертикальных смещений земной поверхности в качестве наземных опорных точек использованы пункты СГДП (0001-0085). Для корректировки карты смещений, также как и при обработке данных за 2007-08 гг. [4], использованы изменения высот

пунктов СГДП за 2008-09 гг. Для территории, покрываемой

радиолокационными снимками, на которую отсутствуют высокоточные наземные измерения, указаны опорные точки, для которых точек установлены нулевые смещения.

Интерферометрические пары PALSAR за 2008-09 гг.

Master - снимок Slave - снимок Длина базовой линии, м

Идентификатор Дата Идентификатор Дата

Построение опорной цифровой модели рельефа

ALPSRP130501210 06.07.08 ALPSRP137211210 21.08.08 3457

ALPSRP130501220 06.07.08 ALPSRP137211220 21.08.08 3468

ALPSRP130501230 06.07.08 ALPSRP137211230 21.08.08 3478

ALPSRP132251210 18.07.08 ALPSRP138961210 02.09.08 3233

ALPSRP132251220 18.07.08 ALPSRP138961220 02.09.08 3245

ALPSRP132251230 18.07.08 ALPSRP138961230 02.09.08 3258

Расчет вертикальных смещений земной поверхности

ALPSRP130501210 06.07.08 ALPSRP184181210 09.07.09 476

ALPSRP130501220 06.07.08 ALPSRP184181220 09.07.09 476

ALPSRP130501230 06.07.08 ALPSRP184181230 09.07.09 476

ALPSRP132251210 18.07.08 ALPSRP192641210 05.09.09 231

ALPSRP132251220 18.07.08 ALPSRP192641220 05.09.09 230

ALPSRP132251230 18.07.08 ALPSRP192641230 05.09.09 227

На рис. 2а приведена сглаженная карта смещений, полученная в результате дополнительной интерполяции расчетных значений соответствующих территории Самотлорского лицензионного участка, границы которого обозначены на рисунке. Данная карто-схема позволяет выделить эпицентры и нулевую границу мульды оседания. На рисунках 2б и 2в приведены пространственные профили, которые отражают значения смещений, полученные методом интерферометрической обработки (тонкая линия), и результат интерполяции значений вдоль профиля (пунктирная линия).

Проанализировав результаты интерферометрической обработки, можно сделать следующие выводы:

1. Точность определения смещений земной поверхности методом радиолокационной интерферометрии зависит от когерентности исходных амплитудно-фазовых измерений. Когерентность главным образом определяется способностью элементарных отражателей на поверхности сохранять свою ориентацию на поверхности в течение длительного времени. Вследствие этого погрешность определения смещений неравномерно распределена по полю кадра и зависит от ландшафта земной поверхности. Средняя погрешность расчетных смещений, составляет 1см. Вследствие отсутствия высокоточных наземных измерений за пределами СГДП точность определения смещений ухудшается к краю карты смещений до 4 см.

км

в

Рис. 2. Вертикальные смещения земной поверхности Самотлорского месторождения за 2008-09 гг. по данным интерферометрической обработки: а) площадная оценка, б) профиль AB, в) профиль CD

2. Карта смещений отображает подвижки некоторой огибающей поверхности, отражающей радиолокационный сигнал. Вследствие этого получаемые смещения подвержены маскирующему влиянию растительного покрова. Для областей с низкой растительностью, которая является прозрачной для зондирующего сигнала L-диапазона (ALOS\PALSAR), расчетные смещения в большей степени соответствуют подвижкам блоков земной коры. Отрицательные смещения, в основном соответствуют зоне торфяных болот с низкой растительностью. Использование результатов радиолокационной съемки в одни и те же месяцы разных лет позволяет минимизировать влияние сезонных изменений уровня торфяных болот.

3. В ходе дальнейшего применения радиолокационной космической съемки рекомендуется использовать метод интерферометрической обработки постоянных когерентных отражателей (Persistent Scatterer Interferometry -PSI). Данная технология позволит достичь миллиметровой точности определения вертикальных смещений техногенных объектов, а ее совместное применение с методом площадной интерферометрии повысит качество получаемых карт смещений.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Евтюшкин, А.В. Применение метода радарной интерферометрии для построения

цифровых моделей рельефа и оценки смещений земной поверхности [Текст] / А.В. Евтюшкин, А.В. Филатов // Научно-технические ведомости

СПбГПУ. - 2008. - №6. - С. 28-33.

2. Евтюшкин, А.В. Технология построения цифровых моделей рельефа и оценки смещений методом радарной интерферометрии [Текст] / А.В. Евтюшкин, А.В. Филатов // Вестн. Новосиб. гос. ун-та. Серия: Информационные технологии. - 2009. - Т. 7. - Вып. 1.- С. 66-72.

3. Евтюшкин, А.В. Оценка деформаций земной поверхности в районах интенсивной нефтедобычи в Западной Сибири методом SAR-интерферометрии по данным ENVISAT\ASAR и ALOS\PALSAR [Текст] / А.В. Евтюшкин, А.В. Филатов // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса: Физические основы, методы и технологии мониторинга окружающей среды, потенциально опасных явлений и объектов. Сборник научных статей. Выпуск 6. Том II. - М.: ООО «Азбука-2000», 2009. - С. 46-53.

4. Евтюшкин, А.В. Геодинамический мониторинг Самотлорского месторождения с использованием метода радарной интерферометрии [Текст] / А.В. Евтюшкин, А.В. Филатов, Ю.В. Васильев, О.С. Мартынов, А.В. Радченко // Тезисы и аннотации докладов региональной научно-технической конференции «Данные дистанционного зондирования Земли для решения практических задач развития территорий». / Екатеринбург: ФГУП «Уралгеоинформ», 2009. - С. 52-54.

© А.В. Евтюшкин, А.В. Филатов, 2010