Применение методов дистанционного зондирования Земли для мониторинга магистральных нефте- и газопроводов

Магнолия Терра

Начиная с 2000-х годов, компании, занимающиеся проблемами контроля (мониторинга) протяженных промышленных объектов (нефте- и газопроводов) пришли к выводу о технико-экономической целесообразности применения для указанных целей данных дистанционного зондирования (ДДЗ), получаемых с искусственных спутников Земли.

Можно утверждать, что для контроля территории в несколько сот и тысяч квадратных километров применение данных дистанционного зондирования Земли из космоса оказывается наиболее эффективным.

Задачи спутникового мониторинга

Спутниковые наблюдения применяются как для непрерывного одновременного контроля за загрязнением природной среды (земной поверхности, водных акваторий и приземной атмосферы), так и для контроля технического состояния объектов на всём протяжении тысячекилометровых водных и наземных нефтяных и газовых трасс. Кроме того, спутниковые наблюдения дают возможность оперативно выявлять и точно определять координаты неожиданно случающихся крупных аварий на нефте- и газопроводах, зон опасного проявления стихийных природных процессов, которые могут привести к таким авариям, а также отслеживать и прогнозировать чреватые разрывами магистральных трубопроводов медленные однонаправленные геодинамические деформации земной поверхности.

Среди основных задач, решаемых методами спутникового мониторинга, можно выделить следующие:

  • выявление нарушений технического состояния объекта: разрывов, трещин, коррозийных зон, повреждений гидро- и теплоизоляции и др.;
  • контроль экологического состояния природной среды вдоль трассы магистрального трубопровода, выявление мест и объёмов подземных и наземных утечек углеводородов, областей загрязнений и др.;
  • анализ участков перехода трубопроводов через водные преграды, автодорожные и железнодорожные переходы;
  • изучение активных разломов, трещиноватости и современных движений земной коры, их влияния на трубопровод, а также напряженно-деформационного состояния околотрубной среды;
  • составление карт грунтов, зон подтоплений, обводнённых участков, областей засолений, коррозионно опасных сред, промерзающих и оттаивающих грунтов и др.;
  • исследование современных экзогенных процессов (сели, оползни, обвалы и др.);
  • ранжирование участков по степени опасности, выделение участков для первоочередного диагностического исследования.

При этом мониторингу подлежат не только текущие характеристики экологического состояния природной среды и надежности технических объектов, но и многочисленные факторы природного и антропогенного происхождения, прямо или косвенно влияющие на эти характеристики. К таким факторам относятся:

  • отдельные динамические характеристики как литосферы, так и воздушной и водной среды, способные разрушающе воздействовать на обеспечивающие транспортировку и хранение нефти и газа технические объекты;
  • некоторые космо- и геофизические факторы (солнечная активность, геомагнитные бури, солнечно-лунные приливные воздействия и др.), определяющие циклическую динамику гидрометеорологических и отдельных динамических характеристик природной среды;
  • всевозможные гидрометеорологические параметры, определяющие перенос и рассеяние вредных примесей в различных компонентах природной среды;
  • загрязнённость этих компонент другими примесями, усугубляющими негативное воздействие загрязнения углеводородами.

Методами ДЗЗ локализуются и исследуются природно-обусловленные аварийно-опасные зоны, к которым принадлежат в первую очередь чреватые оползнями и повышенной сейсмичностью геодинамически неустойчивые районы расположения крупных геологических блокоразделов, узлы пересечения их границ и места резкого изменения направленности этих границ.

Это обусловлено тем, что, как показали многочисленные исследования, к таким зонам приурочено до 80% всех аварий, зафиксированных на транспортных трубопроводах, а также в нефте- и газохранилищах. Расположенные в таких зонах нефте- и газопроводы при длительной их эксплуатации имеют заметную тенденцию к разрывам и другим нарушениям нормального функционирования. Кроме того, опасные сейсмические и оползневые явления в зонах геодинамической неустойчивости часто проявляются циклически, синхронизируясь с полугодовым сезонным и 11-летним солнечным циклами, с которыми чётко коррелируют вертикальные колебания земной коры.

К местам повышенной опасности относят также переходы магистральных трубопроводов через реки, овраги, горные районы, болота, лесные массивы, через места их пересечения с железными дорогами и автотрассами, прохождения через зоны расположения опасных химических производств.

Контроль несанкционированного доступа также может являться предметом спутникового анализа, поскольку в процессе незаконного отбора нефти происходит выброс на поверхность большого количества грунта, отличающегося по своей структуре, цвету, спектральным характеристикам и потому хорошо видным на снимке.

Спутниковый мониторинг магистральных трубопроводов

Экспертные оценки эффективности решения задач мониторинга трубопроводов показывают, что доля решаемых задач с использованием космических сенсоров различных типов при контроле состояния объектов, в том числе их экологического состояния составляет до 90%. Для повышения надежности решения задач диагностики объектов целесообразно проводить их одновременное наблюдение с помощью инфракрасных сенсоров и радаров с синтезированной апертурой, обладающих высоким пространственным разрешением, что позволит повысить надежность и частоту наблюдений объектов.

Существует много видов спутниковой съёмки, использующих специфические свойства излучений с различными длинами волн и применяемых для мониторинга магистральных трубопроводов.

Многоканальная съёмка и структурометрический анализ

Важным природным фактором, вызывающим преждевременную коррозию и разрушение трубопроводов, является избыточная увлажнённость (подтопление) грунта. Наличие коррозии объекта может быть обнаружено специальной спектрометрической обработкой снимка по наличию спектральных компонент оксидов железа. Избыточная увлажнённость хорошо фиксируется в коротковолновом участке видимого диапазона (0.4-0.5 мкм).

Многоканальная съёмка эффективно применяется для выявления упомянутых выше геодинамически неустойчивых зон, при которой эти зоны оказываются приуроченными к системам линеаментов (линейных морфологических структур) с преобладанием эрозионных ландшафтных индикаторов над водораздельными, а также к местам расположения локальных кольцевых морфологических структур, особенно в их периферийной части.

Применение структурометрического анализа даёт возможность чётко фиксировать области так называемых гео-информационных аномалий, являющихся признаками потенциальных зон повышенного риска.

Инфракрасная съёмка

Причинами возникновения температурных контрастов на земной поверхности, связанных с наличием магистральных трубопроводов и динамикой их состояния, являются различие в интенсивности поглощения солнечной радиации материалом самого зондируемого объекта и покрывающего его грунта, различие свойств грунта на трассе трубопровода или в районе расположения подземного хранилища по сравнению со смежными участками почвы, передача тепла от подповерхностного объекта поверхностному слою почвы и различие в характере растительности в районе расположения объекта техносферы.

Характерной особенностью спектрального излучения нефтепродуктов является повышенная излучательная способность в дальнем инфракрасном диапазоне, связанная с нагревом углеводородов под воздействием солнечной радиации.

При наличии утечек перепады температуры вблизи прохождения трасс нефте- и газопроводов составляют от 2 К до 2,5 К. Такие объекты, расположенные на глубине до 1 м, уверенно обнаруживаются нас снимках теплового диапазона волн (10 - 12 мкм), обладающих чувствительностью около 0,2 K.

При аварийном разливе нефти в морских акваториях температурный контраст границы "нефть - вода" достигает 1,5 K. В ночное время этот контраст отрицательный (нефть холоднее воды), а в дневное - положительный, поскольку пленка сильнее поглощает солнечное излучение и становится более теплой, чем поверхность.

Радарная съёмка

Радарная съёмка использует сантиметровый диапазон волн (Х-диапазон, 3.1 см) и обладает важным преимуществом - всепогодностью. Радарный сенсор регистрирует собственное, отраженное земной поверхностью, излучение и для его работы не требуется солнечный свет. Кроме того, радиоволны этого диапазона свободно проходят через сплошную облачность и способны проникать на некоторую глубину в почву.

Радарные снимки позволяют:

  • фиксировать наличие нефтяной плёнки толщиной до 50 мкм;
  • деформации земной поверхности (радарная интерферометрия);
  • подповерхностные явления, обусловленные утечкой углеводородов.

Хорошие результаты даёт дешифрирование космических снимков, полученных в разное время, что позволяет исследовать динамику явления.

Комплексное использование традиционных методов мониторинга окружающей среды и методов ДЗЗ позволяют оптимизировать сеть наблюдений и экстраполировать данные наземных исследований. Такой информацией являются данные стационарных исследований, информация о составе отложений верхней части разреза, физико-механические свойства грунтов, рельеф, режим подземных вод, геологическое и геоморфологическое строение исследуемой территории.

Литература

  • [1] Moness Rizkah and Alan Trigg. The evaluation of advanced remote sensing methods for ground movement monitoring in pipeline integrity management // 17th International Conference on Mechanics and Arctic Engineering.
  • [2] Кутуков С.Е. Технологический и экологический мониторинг систем магистрального транспорта и промыслового сбора нефти. Практика и перспективы совершенствования (на примере АК "Транснефть") // Безопасность жизнедеятельности. Приложение, 2004. — N8.
  • [3] Супрунчик В.В. Безопасность трубопроводного транспорта углеводородов // Минеральные ресурсы России. Экономика и управление. — М. 2007. — N6.
blog comments powered by Disqus