Методы и средства освещения подводной обстановки. Технический комплекс многоуровневого экологического мониторинга должен включать следующие подсистемы: - гидрометеорологического мониторинга; - мониторинга присутствия нефтяных загрязнений в морской среде; - геодинамического мониторинга; - мониторинга состояния объектов недропользования с судна; - спутникового мониторинга; - информационного обеспечения.
Подсистема гидрометеорологического мониторинга предназначена для: - определения опасных метеорологических и гидрологических явлений, представляющих угрозу сооружениям и персоналу нефтедобывающей платформы; - диагностики поступления и переноса загрязняющих веществ с соседних участков акватории; - получение исходных метеорологических и гидрологических данных для прогноза распространения нефтяного загрязнения (при аварийных разливах нефти); - информационное обеспечение безопасности судового и воздушного сообщения между нефтедобывающей платформой и берегом.
К числу измеряемых этой подсистемой характеристик относятся следующие: параметры состояния приводного слоя атмосферы, облачность, осадки, уровень моря, характеристики волнения, вертикальный профиль скорости морских течений, толщина морского льда, температура и соленость воды. Критерии наблюдаемых опасных явлений гидрометеорологического режима должны соответствовать инструкциям Росгидромета.
При этом применяются гидрометеорологические приборы, соответствующие по своим техническим характеристикам требованиям нормативно-методических документов, в том числе Госстроя.
Автоматическая метеорологическая станция должна быть размещена на открытой площадке (стреле), исключающей экранирующее влияние сооружения на показания измерительных приборов, и оснащена следующими датчиками: - температуры воздуха; - скорости и направления ветра; - атмосферного давления; - парциального давления водяного пара (влажности); - атмосферных осадков; - видимости; - высоты нижнего края облачности.
Основа подводной части подсистемы гидрометеорологического мониторинга - заякоренный автоматический профилирующий комплекс «Аквазонд» (см. рис. 2) - своего рода морской грузовой лифт. Этот прибор перемещает полезный груз - измерительную аппаратуру, передвигаясь по тросу, натянутому вертикально между подповерхностной плавучестью и донным якорем.
В отличие от традиционных буйковых постановок с размещением приборов на фиксированных горизонтах, в данном случае измеряются непрерывные вертикальные распределения (профили) параметров среды и биоты, что позволяет точно оценивать как дифференциальные, так и интегральные характеристики этих распределений. Наряду с этим носитель может останавливаться - «зависать» на нужное время, чтобы произвести измерения на заданных горизонтах. Передача данных с «Аквазонда» осуществляется по ходовому тросу с помощью магнитных модемов и далее по кабелю или по подводному гидроакустическому каналу в подсистему информационного обеспечения на нефтедобывающей платформе.
Подсистема мониторинга присутствия нефтяных загрязнений в морской среде обеспечивает: - обнаружение утечки и присутствие нефти на водной поверхности на расстоянии до 100 м от нефтяной платформы (с возможностью количественной оценки обнаруженной утечки) посредством лидара и от 100 м до 2-3 км с помощью радиолокационной станции; - обнаружение маломерных плавсредств в радиусе 5-7 км и контроль за надводной обстановкой в зоне морской нефтедобывающей платформы в радиусе 12-14 км (в зависимости от высоты установки и балльности моря) посредством радиолокационной станции. Нефть и нефтепродукты интенсивно флуоресцируют при возбуждении светом ультрафиолетового диапазона, причем спектры флуоресценции разных типов нефтепродуктов существенно различаются по интенсивности и форме.
Нефтяные загрязнения на поверхности моря можно обнаружить и идентифицировать посредством флуоресцентных лидаров.
В результате большой методической работы было показано, что лидар может не только обнаруживать загрязнения нефтепродуктами вокруг платформы, но и позволяет оценивать толщину нефтяной пленки, давая тем самым возможность количественной оценки обнаруженной утечки. Для обнаружения нефтяных пленок на расстояниях более 100 м от платформы предлагается использовать радиолокационную станцию. При утечке нефти на поверхности воды образуются пленки, которые влияют на поверхностные волны, в частности, уменьшают энергию волн, их дисперсию и крутизну наклонов.
Сглаженная пленкой поверхность воды отражает падающие на нее электромагнитные волны в сторону от антенны радиолокатора. Отразившись от выглаженной поверхности, радиоволны не возвращаются к радиолокатору, и участок, покрытый пленкой, отображается на мониторе радиолокатора черным тоном. Специальная радиолокационная станция для обнаружения протяженных слабоконтрастных нефтяных пленок существенно отличается от навигационных радаров, предназначенных для обнаружения локализованных сильноконтрастных мишеней (суда и другие объекты). У сильноконтрастных объектов эффективная площадь рассеяния составляет 10-1000 м2, у низкоконтрастных - 0,01-0,1 м2. Специализированный радиолокатор использует когерентный приемо-передатчик и новые технологии сверхвысокочастотных антенн, благодаря чему удается на два порядка сократить время формирования изображения для обнаружения нефтяного пятна и снизить уровень фоновых помех.
Преимущество такого радара также в низком уровне излучения, что позволяет устанавливать радар вблизи помещений, где находятся люди. Подсистема геодинамического мониторинга предназначена для регистрации данных: - о развитии процесса растрескивания твердой среды, признаках разрушения среды, выраженных в появлении микроземлетрясений, спровоцированных перераспределением порового давления; - об изменениях углов наклона, наклонных перемещениях и колебаниях морской нефтедобывающей платформы с выработкой сигнала тревоги при превышении значения ускорения заданного порога.
В различных нефтегазоносных акваториях Мирового океана, в том числе на шельфах окраинных морей, зарегистрированы аномальные геодинамические события на разрабатываемых месторождениях углеводородов в форме деформаций и просадок, природно-техногенной сейсмичности, современной активизации разломов, горизонтальных смещений массивов горных пород, которые приводили к серьезным негативным промышленным и экологическим последствиям.
Прогнозирование этих событий и снижение масштабов их последствий является актуальной практической задачей.
На первом этапе организации работ по геодинамическому мониторингу на шельфе в качестве базовых методов используются: - режимные сейсмологические наблюдения с использованием донных сейсмостанций, а также наземных пунктов, расположенных на прилегающей суше; - методы пассивной эмиссионной сейсмической томографии (шумовой 3D-локации), которые позволят оценивать состояние поля напряжений в объеме изучаемого месторождения углеводородов; - геомеханическое моделирование последствий разработки месторождений.
В состав подсистемы геодинамического мониторинга входят три донных сейсмографа, помещаемых в герметичные прочные корпуса, располагающиеся на дне акватории на расстоянии примерно 300-500 м от платформы и содержащие блоки сейсмических датчиков с выносными гидрофонами. Сейсмометрические каналы донных сейсмических станции обеспечивают непрерывное измерение трех компонент скорости смещения морского дна в ортогональных друг к другу направлениях (одного вертикального и двух горизонтальных). На нефтедобывающей платформе размещаются следующие датчики: - прецизионный наклономер; - трехкомпонентный акселерометр; - микропроцессорная система обработки информации.
Трехкомпонентный акселерометр должен непрерывно регистрировать ускорение колебаний платформы с выработкой сигнала тревоги при превышении значения ускорения заданного порога.
Инклинометр предназначен для измерения малых углов наклона, наклонных перемещений и низкочастотных колебаний нефтедобывающей платформы. Подсистема работает в автоматическом режиме. Интерактивный контроль состояния измерительной аппаратуры с использованием соответствующего программного обеспечения рекомендуется проводить ежедневно. Регламентные работы необходимо проводить 2 раза в год. Они включают подъем донных сейсмографов для очистки от обрастания гидрофонов, размыкателей, притопленных буев и корпусов донных станций; контроль и калибровку датчиков; установку сейсмографов на место (выполняется с маломерного судна); контроль и калибровку наклономера и акселерометра. Подсистема мониторинга состояния объектов недропользования с судна предназначена для обнаружения и идентификации загрязнений нефтепродуктами на поверхности и в приповерхностном слое морской воды на удалении от нефтедобывающей платформы, а также для оценки содержания взвешенного вещества и его вертикального распределения в водной толще от поверхности до дна. Выполнение этих задач может быть обеспечено оптическими приборами, прозрачномером и флуориметрами, а также телеуправляемым подводным аппаратом (ТПА), оснащенным поворотными видеокамерами с осветителями.
В ИОРАН разработан погружаемый измеритель показателя ослабления света и температуры воды прибор ПУМ (прозрачномер универсальный малогабаритный), предназначенный для исследования в режиме вертикального зондирования.
Прибор может работать как в автономном режиме, так и в режиме реального времени.
Для выявления нефтяных загрязнений в водной толще предлагается использовать зонды-флуориметры, специально предназначенные для регистрации подобных загрязнений в морской среде. Детальное обследование трубопроводов с одновременным определением их координат и картографированием расположения выполняются с использованием буксируемой аппаратуры и ТПА. ТПА двигается вдоль трубопровода, и операторы на судне фиксируют техническое состояние трубопровода (места провисания, нарушения гидроизоляции, состояние протекторов электрохимической защиты, состояние обрастания и т.д.). Подсистема спутникового мониторинга нефтяных загрязнений в первую очередь должна опираться на радиолокационные спутники.
Она может обеспечить: - обнаружение нефтяных пятен и источников их происхождения на обширной акватории, - оценку направления и скорости перемещения нефтяных пятен. Спутниковые радиолокационные наблюдения дают возможность получать одновременные изображения всей контролируемой акватории с пространственным разрешением до нескольких метров регулярно в течение многих лет. Более широкое применение спутниковых методов с использованием сканеров цвета, ИК-радиометров, альтиметров и скатеррометров позволяет оценивать концентрации взвеси и хлорофилла, первичную продукцию в приповерхностном слое моря, а также температуру поверхности моря, скорость и направление приводного ветра, аномалии уровня морской поверхности.
Спутниковые наблюдения обеспечивают регулярную последовательность пространственных распределений каждого из вышеуказанных параметров и позволяют своевременно обнаруживать происходящие изменения и выявлять их причины.
Спутниковые наблюдения дают возможность отслеживать источники обнаруженных загрязнений и тем самым отличать загрязнения, обусловленные нефтегазодобывающей деятельностью, от загрязнений, не связанных с такой деятельностью. Следует отметить, что спутниковый мониторинг, при всех своих достоинствах, не может по многим причинам заменить наблюдения, проводимые с платформы или судна; разработанная система комплексного многоуровневого мониторинга предполагает их оптимальное сочетание.
Основным предназначением подсистемы информационного обеспечения является сбор и обработка данных от различных подсистем наблюдений (стационарной, судовой, спутниковой), анализ полученной информации и передача созданной на его основе информационной продукции корпоративным органам управления промышленной и экологической безопасностью и государственным органам управления природопользованием и охраной окружающей среды.
В информационную продукцию целесообразно включать следующие сведения: - оценку техногенного воздействия, прогноз возможных негативных изменений в соответствующих элементах природной среды и природном комплексе в целом; - рекомендуемые мероприятия, снижающие и локализующие отрицательные последствия антропогенной деятельности.
Функционирование информационной подсистемы должно осуществляться в двух режимах: оперативном - on-line и в режиме получения обобщенной информации. В то же время корпоративных информационных ресурсов часто бывает недостаточно для оценки и прогноза состояния и загрязнения морской среды в районах проведения работ. Это обусловлено лабильностью морских экосистем, находящихся под воздействием природных и антропогенных факторов, таких, как речной сток и поступление загрязняющих веществ с речными водами, водообмен с открытой частью моря. Недостаток информации может быть восполнен проведением наблюдений на Государственной наблюдательной сети, подведомственной Росгидромету.
Интеграция корпоративного и государственного экологического мониторинга может рассматриваться как региональная система экологического мониторинга. Для устойчивого функционирования информационной подсистемы предполагается оснащение аналитического центра, выполняющего также функции оператора оборудованием для приема и передачи информации по спутниковым каналам связи, а также приобретение ГИС- и WEB-технологий управления данными, интеграции информационных ресурсов, анализа и визуализации поступающей информации.
Аналогичное оборудование и программное обеспечение целесообразно установить в специализированном центре мониторинга в компании, ведущей разработку месторождения.