Новейшие методы крупномасштабного геоэкологического мониторинга объектов нефтегазового освоения территории криолитозоны с использованием дельталетов

УДК 656.7.08.560

НОВЕЙШИЕ МЕТОДЫ КРУПНОМАСШТАБНОГО ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ОБЪЕКТОВ НЕФТЕГАЗОВОГО ОСВОЕНИЯ ТЕРРИТОРИИ КРИОЛИТОЗОНЫ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ДЕЛЬТАЛЕТОВ

И.В. НИКИТИН, А.Г. ТОПЧИЕВ, О.Е. ЧЕРНИГИН

В статье дан анализ состояния комплекса опытно-конструкторских и экспериментальных летноиспытательных аэросъемочных работ по созданию бортового программно-аппаратурного комплекса геоэкологического мониторинга.

Ключевые слова: дельталет, геоэкологический мониторинг, анализ аэросъемочных работ, бортовой программно-аппаратурный комплекс.

Создание высокоэффективной системы крупномасштабного геоэкологического мониторинга территории криолитозоны особенно актуально для обеспечения оперативного реагирования на аварийные ситуации, вызванные природными и техногенными катастрофами. Кроме того, актуальна задача прогнозирования аварийных ситуаций на инженерных объектах высокого техногенного воздействия. Важнейшей задачей геоэкологии является также ненарушающая диагностика линейной части нефте- и газопроводного транспорта. Решение этих задач может быть достигнуто с помощью высокоавтоматизированной системы со сверхвысоким пространственным и спектральным разрешением, размещенной на борту сверхлегких летательных аппаратов (СЛА), функционирующей в оптическом, ближнем инфракрасном и тепловом диапазонах, обеспечивающей условия для выполнения локального аэромониторинга на предельно малых высотах (до 300 м) с невысокими скоростями полета [1].

НИЛ геоэкологии севера географического факультета МГУ совместно с СКБ МГТУ ГА осуществила разработку, а также комплекс опытно-конструкторских и экспериментальных летно-испытательных аэросъемочных работ на объектах ОАО "Юганскнефтегаз" по созданию бортового программно-аппаратурного комплекса (БПАК) геоэкологического мониторинга. На изделие был получен Патент РФ на группу изобретений "Способ локального аэромониторинга геотехнических систем и бортовой комплекс для его осуществления" (патент № 2227271 от 10.12.2002 г.) [2 - 5]. Бортовой комплекс локального аэромониторинга геотехнических систем включает блок аэровизуального наблюдения объекта съемки на базе курсовой и съемочной ТУ камеры высокого разрешения, а также блок управления полетом по электронной карте местности, снабженный бортовым компьютером и системой определения навигационных данных на базе ОРБ-приемника и датчиков углов поворота камер. Блок аэровизуального наблюдения соединен с блоком управления полетом с возможностью синхронного позиционирования на видеомониторах информации от обеих камер.

Дальнейшее усовершенствование системы локального мониторинга (СЛМ) реализовано в принципиально новом бортовом программно-аппаратурном комплексе, разработанном совместно специалистами РГУ нефти и газа, МФТИ и СКБ МГТУ ГА в 2006 - 2008 гг., предназначенном для размещения на борту микросамолетов, дельталетов "Поиск-06", вертолетах МИ-8, К-26 и др. [5, 6]. Это обеспечивает возможность выполнения следующих режимов локального аэромониторинга.

1. Компенсация угла разворота платформы при ветровом сносе воздушного судна (ВС) и, соответственно, отклонении оси ВС от направления съемочного галса.

2. Получение серии снимков на площадные объекты при выполнении плановой съемки с заданным продольным и поперечным перекрытием.

3. Получение серии снимков на линейные объекты при выполнении плановой съемки с заданным продольным перекрытием.

4. Получение серии снимков с заданным перекрытием при выполнении съемки линейных объектов, например, линий электропередачи, при полете дельталета вдоль объекта съемки на высоте его размещения.

Данная конфигурация бортового программно-аппаратурного комплекса успешно прошла летно-эксплуатационные испытания на дельталете "Поиск-06НТ" (рис. 1), созданном в СКБ МГТУ ГА, и защищена Патентами РФ на изобретение № 2315951 от 27.01.08 г. и полезную модель № 58696 от 27.11.06 г. "Бортовая система локального аэромониторинга объектов природно-техногенной сферы" [7].

Рис. 1. Общий вид бортового программно-аппаратурного комплекса на дельталете "Поиск-ОбНТ"

В состав БПАК входят поворотная платформа, расположенная на дельталете в зоне действия пилота, аэросъемочная аппаратура в составе цифровой телевизионной камеры и цифрового аэрофотоаппарата, блок навигационных данных, блок управления платформой, блок контроля параметров бортовой аппаратуры. Поворотная платформа, включающая две независимые головки, позволяет одной из камер находиться в надирном положении, а второй - с расчетным угловым смещением, что приводит к увеличению производительности при выполнении аэросъемочных работ инженерных сооружений и протяженных объектов. Блок навигационных данных на базе персонального компьютера, сопряженного с вРБ-приемником, включает топографическую электронную карту местности с проложенными аэросъемочными маршрутами, точками наземных геодезических измерений, объектами локального мониторинга в соответствии с поставленной задачей. В процессе полета формируется база данных путевых точек в блоке навигационных данных.

Блок управления поворотной платформой позволяет выполнить следующие режимы локального аэромониторинга:

- получение серии снимков с заданным продольным перекрытием при выполнении маршрутной съемки линейных объектов, с компенсацией угла разворота камеры при сносе летательного аппарата и отклонении оси летательного аппарата от направления съемочного курса;

- получение серии снимков площадных объектов при выполнении плановой съемки с заданным продольным и поперечным перекрытием при смещении оптических осей аэросъемочной аппаратуры в плоскости, перпендикулярной направлению аэросъемочного курса, и последующей геометрической коррекцией изображений;

- получение серии снимков с заданным перекрытием при выполнении съемки линейных объектов при полете вдоль объекта съемки на высоте его размещения.

Блок контроля параметров бортовой аппаратуры позволяет выполнять текущую регистрацию и контроль функционирования всех блоков и систем бортового комплекса локального аэромониторинга объектов природно-техногенной сферы.

В настоящее время завершена разработка программно-алгоритмической базы и конфигурации автоматизированного рабочего места (АРМ), предназначенного для интерпретации комплекса фондовой картографической, аэрокосмической и синхронной контактной информации, получаемой на контрольно-измерительных полигонах в зоне дистанционного зондирования объектов нефтегазового комплекса.

Создание БПАК позволило выполнить на ряде объектов геоэкологического мониторинга программу летных испытаний и обработку данных с применением АРМ для получения принципиально новой информации, предназначенной для рационального природопользования и экологически устойчивого развития нефтедобывающих регионов Севера РФ.

Базовым элементом, определяющим информационно-аналитические и управляющие функции геолого-информационной системы (ГИС) для крупномасштабного геоэкологического мониторинга территории криолитозоны, является логически обоснованная структура выходных данных, получаемых в электронной форме. Предусматриваются следующие этапы интерпретации данных: обновление топографической (ландшафтной) основы; инвентаризация природноантропогенных геосистем и объектов инфраструктуры; анализ динамики объектов мониторинга; прогноз развития геотехнических систем и ландшафтных комплексов; разработка мероприятий по рациональному природопользованию и устойчивому развитию природно-антропогенных геосистем и целостных природных ландшафтных комплексов. Реализация программы аэрокосмического мониторинга с применением СЛМ обеспечила решение функциональных задач в производственном режиме в целях крупномасштабного геоэкологического мониторинга территории криолитозоны.

Решение поставленной задачи осуществлено на примере объекта повышенного геоэкологического риска - Уренгойского коридора магистральных газотранспортных систем путем эксплуатации в производственном режиме системы локального аэромониторинга, обеспечивающей решение следующих задач: создание интегрированной информационно-картографической базы данных в доступной для пользователя электронной форме на геотехнические системы, находящиеся в ведении газотранспортных предприятий в заданном регионе; приведение картографической и планово-проектной документации, находящейся в ведении УМГ, к единому масштабу, проекции и системе координат, совмещение с атрибутивной базой проектной документации и данных по дефектоскопии, перевод в машинно-совместимую форму, организация рабочего места ГИС - оператора; привязка данных дефектоскопии и технической диагностики, создание атрибутивной базы данных и обновление по результатам поршневой дефектоскопии; выявление опасных экзогенных геологических процессов, картографирование и ландшафтная индикация в зоне влияния коридора коммуникаций по данным локального мониторинга; выявление и ранняя диагностика напряженного состояния трубопровода и инженерно-технических сооружений (деформация оснований и фундаментов) по данным локального мониторинга; мониторинг зоны землеотвода, выявление нарушений землепользования в зоне ограничений хозяйственной деятельности вдоль трассы трубопровода по данным локального мониторинга; информационное обеспечение работ по шурфовке и замене участков газопровода, выявленных по данным дефек-

тоскопии, определение оптимального маршрута выезда на место ремонтных бригад, подвоза и складирования оборудования; информационное обеспечение инженерно-геологических изысканий на стадии технико-экономического обоснования и проектирования строящихся и реконструкции действующих участков трассы газопроводов; оперативный локальный мониторинг аварийных участков трассы газопровода (предоставление информации осуществляется в течение 2 - 3 часов после согласования технического задания на выполнение летно-съемочных работ); анализ и отображение технических характеристик сети, контроль качества рекультивации ландшафта при проведении регламентных, ремонтных и аварийно-восстановительных работ; анализ состояния защищенности газопроводов от коррозии, информационное обеспечение и отображение исходных данных и поддержка их в актуальном состоянии, а также выдача справочной информации, организация работы с базой данных и запросов по функциональным задачам корпоративной геотехнической информационной системы "Мострансгаз-Д"; формирование базы информационно-аналитических данных для создания в перспективе тематической картографической информации в электронной форме и на твердом носителе по запросам пользователей по следующим направлениям: карта экологического состояния ландшафта в зоне техногенного влияния трассы трубопровода; карта прогноза развития экзогенных геологических процессов в зоне техногенного влияния трассы трубопровода; карта устойчивого развития ландшафта в зоне влияния трассы трубопровода с рекомендациями по экологической защите территории и рациональному природопользованию.

В качестве концептуальной основы функционирования СЛМ принят впервые примененный в практике дистанционного зондирования (ДЗ) подход от частного к общему. Суть нового подхода состоит в составлении достоверной и предельно точной информации о геотехнической системе месторождения в целом на основе суммирования данных о ее принципиально важных фрагментах, полученных на локальном уровне. Недоступные для традиционно применяемых летных средств сверхмалые высоты (150 м - 300 м) и крейсерские скорости выполнения ДЗ (70 км/ч - 80 км/час) позволили получить сверхинформативную по спектральным, калориметрическим и частотнопространственным характеристикам исходную информацию на локальном уровне не только в оптическом, но и в ближнем инфракрасном (ИК) и тепловом диапазонах (рис. 2).

Рис. 2. Пример отображения информации, полученной на локальном уровне в ближнем инфракрасном (ИК) и тепловом диапазонах с борта дельталета "Поиск-06НТ"

Решается и вторая не менее важная задача. Фрагментарный (локальный) мониторинг наиболее нарушенных элементов биосферы в пределах целостных геотехнических систем месторождения нефти исключает непроизводительные затраты на тотальное "сканирование" всей лицензируемой площади месторождения, при котором до 80 % материалов аэросъемки идет в отвал. Важнейшим преимуществом применения СЛМ при этом является возможность участия ме-

стных специалистов (заказчиков) в планировании летно-съемочных работ непосредственно на объекте мониторинга. Оперативное управление летно-съемочным процессом исходя из функциональных задач мониторинга, корректирование параметров летных работ в зависимости от изменяющихся метеоусловий, особенностей динамики спектральных и калориметрических характеристик объектов ДЗ, освещенности и оптико-физических свойств ландшафта обеспечивают повышение эффективности всей программы мониторинга в целом.

Разработанная и реализованная технология создания информационно-аналитических и управляющих ГИС базируется на комплексе входной информации, включающей следующие блоки.

1. Обновленная по данным ДЗ и наземных топографо-геодезических работ, выполняемых с применением GPS технологий, топографическая основа с нанесенной специальной нагрузкой, детально отображающей инфраструктуру месторождения в условных обозначениях, принятых маркшейдерскими службами месторождений. Эти данные, полученные в программной среде MapInfo, по существу являются основой для составления инвентаризационных ГИС и нанесения тематической нагрузки специальных электронных карт (рис. 3).

Рис. 3. Пример специальной электронной карты, полученной с использованием бортового программно-аппаратурного комплекса дельталета "Поиск-06НТ"

2. Ландшафтная основа, созданная по данным комплексных исследований в соответствии с оригинальной методикой, разработанной НИЛ геоэкологии севера географического факультета МГУ на примере ряда месторождений среднего Приобья.

3. Технические параметры нефтесборной и водонагнетательной сети (параметры нефтепроводов и водоводов по участкам эксплуатации: диаметр, толщина стенки, протяженность, год ввода, ГОСТ трубы, марка стали трубы, тип изоляции трубопровода, глубина заложения трубопровода (м), параметры перекачки ^ жидк., м.куб./сут.; Q нефти, м.куб./сут.; Р начальное, атм; Р конечное, атм; % обводнения).

Информационно-аналитические и управляющие ГИС базируются на специальных блоках входных данных, формируемых в зависимости от поставленной функциональной задачи. Например, при определении причин и факторов аварийных ситуаций на нефтесборной сети формируются следующие вспомогательные массивы данных:

- графические материалы и статистические данные, подтверждающие корреляционные связи, выявленные при комплексной интерпретации данных геолого-структурного дешифрирования и параметров разливов нефти;

- данные о динамике наиболее крупных разливов нефти, полученные по результатам векторизации и количественной оценки материалов локального мониторинга;

- данные эксплуатационной службы месторождения об аварийных ситуациях за период наблюдений (дата регистрации аварии, место аварии, диаметр трубы, площадь замазучивания, объем разлива, предполагаемая причина разлива, мероприятия по ликвидации);

- данные о приемистости водонагнетательных скважин (№ п/п куста и скважины, давление на устье, атм., приемистость, куб.м./сут.) по имеющимся пробным скважинам;

- параметры нефтяного пласта (топография кровли, продуктивность, соотношение воды и нефти в откачиваемой жидкости и т.д.);

- плановое положение забоев, характеристики нефтесборных скважин

Вся тематическая база данных формируется в программной среде Мар1п1Ъ в виде аттрибу-тивных таблиц и вспомогательных картограмм. Для отдельных параметров в целях облегчения анализа и лучшего визуального восприятия данных используется программный продукт Уохе1ЛпаН81;, позволяющий построить в трехмерной системе координат блок-диаграммы нефтяного пласта с выделением цветом его продуктивности, получить в изогипсах рельеф кровли пласта, выполнить статистическую обработку данных.

Применительно к рассматриваемому примеру в процессе работ по созданию ГИС разработана формула для расчета коэффициента аварийности нефтесборной (водонагнетательной) сети.

Базовым положением, определяющим информационно-аналитические и управляющие функции ГИС, является логически обоснованная структура выходных данных, которой и подчинена концепция построения ГИС нового поколения. Алгоритм ее построения определяется следующей очередностью выполнения картосоставительских работ: обновление топографической (ландшафтной) основы; инвентаризация геотехнических систем и объектов инфраструктуры месторождения; анализ динамики объектов мониторинга; прогноз развития геотехнических систем; разработка мероприятий по рациональному природопользованию и устойчивому развитию территории нефтегазового освоения.

В соответствии с названной выше схемой перечень электронных карт, наиболее полно отображающих (но не исчерпывающих) аналитические возможности ГИС, включает следующие наименования.

1. Электронные карты инвентаризации геотехнических систем на территорию Петелинско-го месторождения нефти масштаба 1 : 25 000 на ортофотооснове с векторной нагрузкой и экспликацией.

2. Комплекс электронных карт, предназначенных для выработки научно обоснованных рекомендаций по устойчивому развитию и защите земель природно-антропогенного комплекса месторождения, в составе:

- карта экологического состояния природно-антропогенных геосистем месторождения на ландшафтной и почвенной основах;

- карта динамики развития техногенной нагрузки и ландшафт с выделением зон стрессового экологического состояния;

- карта прогноза развития природно-антропогенной геосистемы месторождения;

- карта рационального природопользования и устойчивого развития месторождения.

3. Крупномасштабные электронные картограммы (1 : 2000) объектов мониторинга (кустовые площадки, КНС, ДНС, коридоры коммуникаций, а также разливы нефти в местах аварийного состояния нефтесборной сети, шламовых амбаров и кустовых площадок), полученные в электронной форме по данным локального мониторинга и наземным обследованиям за 2006 -2008 гг. с экспликациями.

Названные выше тематические карты получены в электронной форме и были проанализированы с использованием пакета прикладных программ М1его81а1юп, Мар1п1Ъ. При этом были выявлены участки напряженного состояния трубопроводов на участках развития деформаций, связанные с динамикой криосферы и влияния неотектонических дизъюнктивных нарушений. Определены зоны повышенной опасности для прокладки трубопроводов, а также размещения кустовых и буровых площадок. Установлены участки развития опасных экзогенных геологических процессов, активно развивающихся в ходе возрастания антропогенных нагрузок на ландшафт.

Наибольший практический интерес имеют принципиально новые поисковые критерии индикации неизвестных ранее участков перспективных нефтегазоносных площадей в пределах

труднодоступных и удаленных районов Западной Сибири. Эти критерии разработаны на основе геолого-структурного анализа комплекса информационных материалов, полученных на локальном уровне с использованием системы мониторинга "Биосфера ТМ".

В настоящее время в связи с повышением инвестиционной активности крупных нефтяных компаний разработана программа применения СЛМ "Биосфера ТМ" для обеспечения экологического аудита и экспертизы технического состояния объектов нефтегазового комплекса, а также выполнения геолого-поисковых работ на нефтяных и газово-конденсатных месторождениях Ханты-Мансийского и Ямало-Ненецкого автономных округов.

ЛИТЕРАТУРА

1. Кондратьев К.Я., Козодеров В.В., Топчиев А.Г., Федченко П.П. Биосфера: методы и результаты дистанционного зондирования. - М.: Наука, 1990.

2. Топчиев А.Г. Аэрокосмический мониторинг природных наледных геосистем // Исследование Земли из космоса. - 1988. - №3. - С. 50 - 57.

3. Топчиев А.Г., Бородин Б.Ф., Антипов А.В. Система локального мониторинга "Биосфера ТМ" // Геодезия и картография. - 1997. - № 6. - С. 29 - 33.

4. Топчиев А.Г., Девичев А.А., Любимцев М.Ю. Геоинформационная система оперативного Госземконтро-ля зоны влияния предприятий нефтегазового комплекса // Известия высших учебных заведений. Г еодезия и аэросъемка. - 1997. - №7. - С. 80 - 86.

5. Топчиев А.Г., Девичев А.А., Любимцев М.Ю. Система геоинформационного обеспечения экологически устойчивого развития регионов добычи, переработки и транспортировки углеводородов // ГИС для оптимизации природопользования в целях устойчивого развития территорий: материалы международной конференции. - Барнаул. - 1998. - С. 290 - 297.

6. Топчиев А.Г., Девичев А.А. Новый подход к организации мониторинга объектов нефтегазового комплекса Среднего Приобья // Криосфера Земли: СО РАН. - 2000. - №1.

7. Никитин И. В., Топчиев А.Г. Применение мотодельтаплана "Поиск 06 НТ" для геоэкологического мониторинга объектов нефтегазового комплекса // Научный Вестник МГТУ ГА, серия Эксплуатация воздушного транспорта и ремонт авиационной техники. Безопасность полетов, № 109, 2006. - С. 8.

NEW METHODS OF OIL AND GAS SETTLINGS LARGE-SCALE GEOLOGICAL MONITORING

WITH THE USE OF TRIKES

Nikitin I.V., Topchiev A.G., Chernigin O.E.

This article provides analysis of development and experimental flight test aerial photographic works condition and creation of hardware-software geological monitoring system.

Key words: hang glider, geo-ecological monitoring, aerophotography analysis, on-board hardware-software complex.

Сведения об авторах

Никитин Игорь Валентинович, 1953 г.р., окончил МИИГА (1979), доктор технических наук, ведущий научный сотрудник, научный руководитель СКБ МГТУ ГА, автор более 80 научных работ, область научных интересов - сверхлегкая авиация, проектирование и конструкция, сертификация и испытания, применение сверхлегких воздушных судов в народном хозяйстве, аэродинамика и динамика полета.

Топчиев Анатолий Георгиевич, 1946 г.р., окончил МГУ им. М.В. Ломоносова (1974), доктор технических наук, член-корреспондент Международной академии информатизации, профессор кафедры автоматизации проектирования объектов нефтегазовой промышленности РГУ нефти и газа, ведущий научный сотрудник НИЛ геоэкологии севера географического факультета МГУ, автор более 50 научных работ, область научных интересов - аэрокосмический мониторинг, бортовые программно-аппаратурные комплексы, геоинформационные системы объектов нефтегазовой промышленности.

Чернигин Олег Евгеньевич, 1960 г.р., окончил МИИГА (1987), ведущий инженер СКБ МГТУ ГА, автор 15 научных работ, область научных интересов - сверхлегкая авиация, проектирование и конструкция, летная эксплуатация и эффективность применения сверхлегких воздушных судов, аэродинамика и динамика полета, методы испытаний.