14.578.21.0090

Исследование и разработка комплекса научно-технических решений по высокоэффективному использованию технологий фотоники в интересах:
- решения задач получения достоверной информации о фоновых и надфоновых содержаниях углеводородных газов;
- создания комплекса дистанционного мониторинга и экологического контроля состояния объектов добычи и переработки нефти и газа.

Своевременное обнаружение утечек и аварийных выбросов нефтепродуктов и количественная оценка масштабов загрязнения, приобретает особенное значение в уязвимых в экологическом плане северных регионах, в т.ч. на шельфе арктических морей. Поэтому в настоящее время весьма актуальна разработка экологически безопасных высокоэффективных дистанционных методов и технологий для проведения экологического мониторинга с целью оценки состояния природных и природно-техногенных систем на предмет обнаружения утечек из нефте- и газопроводов (расположенных как на суше, так и на море), а также нефтезагрязнений от добывающих и перерабатывающих предприятий.

Для решения поставленной задачи перспективно использование новых высокоэффективных методов оценки геоэкологического состояния объектов добычи и переработки нефти и газа, позволяющих определять параметры составляющих атмосферы и гидросферы, которые дистанционно в принципе не могут быть измерены другими методами. Сенсоры, основанные на дистанционном лазерном зондировании, способны проводить детальный анализ исследуемых объектов и компонентов окружающей среды по их спектральным характеристикам в условиях существенно ниже предельного уровня пространственного разрешения наблюдательных систем. Комплексирование лазерного зондирования с другими современными технологиями, в первую очередь с тепловизионной съемкой, позволит создать эффективную систему, способную решать задачи оценки и мониторинга состояния природных объектов в различных
гидрологических и климатических условиях.

В основе программно-аппаратного экспериментального образца комплекса, созданного в ходе выполнения ПНИЭР лежит эффект рамановского (комбинационного) рассеяния. Несмотря на низкое сечение рассеяния этого эффекта и как следствие необходимость применять широко-апертурную оптику вести спектральный анализ в УФ-области спектра, комбинационное рассеяние излучения газами, жидкостями и твёрдыми телами является прямым источником информации о химическом составе различных сред. Только использование рамановского лидара позволяет одновременно определять широкий набор химических элементов и соединений, а так же распознавать спектральные сигнатуры объектов зон­дирования.

Для измеряющих слабые сигналы лидарах в необходима эффективная борьба с фоновыми засветками в самом приборе при одновременном эффективном подавлении релеевского рассеяния на молекулах воздуха лазерного излучения. Поэтому в разработанном экспериментальном образце комплекса применен полихроматор, работающий в УФ-диапазоне, позволяющий выделить характеристические полосы искомых веществ при слабом уровне входного сигнала. А примененная оригинальная оптическая схема полихроматора  с фотоприемными устройствами находящимися во 2 или 3 порядке позволила повысить разрешающую способность при минимуме оптических поверхностей неизбежно, рассеивающих оптическое излучение.

Реализация процесса определения искомых веществ и расчета их концентрации требует соответствующей базы данных спектральных откликов для использования оных в качестве эталонных. Соответствующий набор спектральных данных был получен в ходе ПНИЭР на созданном в рамках работы экспериментальном стенде. Для использования полученных данных реализована специализированная программная информационная база данных для внутримашинного представления эталонных спектрометрических откликов. Архитектурно база данных состоит из ряда специализированных связанных таблиц, связанных между собой. Управление, поиск и анализ базой данных осуществляется с помощью системы запросов. Каждый запрос формируется программой, используя специфический синтаксис языка запросов MySQL.

Важной задачей была необходимость полной автоматизации описанного выше измерительного комплекса. После анализа возможных вариантов (различные виды индикации обнаружения; безостановочная запись результатов сканирования на термобумагу, посредством специального самописца; безостановочная запись материалов на жесткий диск с последующей ее обработкой), выбор был остановлен на коммутация прибора с портативным компьютером посредством плат сбора данных компании National Instruments c дальнейшей обработкой сигналов специальными программными средствами.

Программный комплекс написан на языке С+, с использованием подключаемых (в случае необходимости) модулей системы фиксации лабораторный исследований LabView 7.0, производства компании National Instruments, библиотек MathCad и программного конвертера сигналов для удаленного управления работой лазера через импульсный блок питания. Управление блоком питания, а, следовательно, и лазером осуществляется с централизованного поста управления и фиксации данных, посредством шины RS-232.

Специально для этого случая предусмотрена возможность подключения к компьютеру GPS-навигатора для привязки данных сканирования к конкретным точкам на электронной карте.

 

В ходе выполнения ПНИЭР, на основе конструкторской документации и экспериментальных данных, полученных в ходе этапов №2 и №3 изготовлен экспериментальный образец Комплекса для дистанционного мониторинга и экологического контроля состояния объектов добычи и переработки нефти и газа на основе технологий фотоники, обеспечивающий одновременное распознавание 3-х веществ-индикаторов с концентрацией 0,1 - 4 ppm*v

На основе экспериментальных данных, разработана информационная база спектроскопических данных веществ-загрязнителей и фоновых объектов. Содержащиеся в базе эталонные спектральные образы используются для сравнения с полученными в ходе зондирования спектральными данными.

Проведенные экспериментальные исследования Комплекса, такие как определение минимальной чувствительности и фиксация характеристических длин волн веществ-индикаторов показали правильность выбранных технических решений при проектировании, изготовлении и настойки комплекса. Достижение заданной чувствительности и избирательности в ходе экспериментальных исследований Комплекса позволяет  обоснованно подойти к составлению ТЗ на ОКР в ходе которого будет разработан аппаратно-программный комплекс дистанционного мониторинга объектов ТЭК пригодный для внедрения в серийное производство и внедрение в реальный сектор экономики.

Разработанная программная документация на модуль автоматизации и обработки информации, а так же реализация этих модулей в составе экспериментального образца комплекса позволила реализовать возможность удаленного управления, самодиагностики и обработки данных зондирования с погрешностью не более 30%.

 

Ущерб экологической среде может быть нанесен на этапе капитального строительства, добычи УВ и на этапе ликвидации скважины. На всех перечисленных этапах могут быть нанесены следующие виды экологического ущерба: загрязнение земель и почв на территории промысла, загрязнение подземных и поверхностных вод, загрязнение атмосферного воздуха и пр. Для осуществления мониторинга состояния окружающей среды и недр предполагается использовать рассматриваемую технологию дистанционного экологического мониторинга.

Основной целью экологического и поискового мониторинга объектах, связанных с геологоразведочными работами, добычей, транспортировкой и хранением углеводородного сырья является получение информации о масштабах и интенсивности загрязнения геологической среды нефтепродуктами (а в районах криолитозоны с массивно-островной мерзлотой) – теплового загрязнения геологической среды) и тенденциях его изменения во времени и пространстве, позволяющих оценить его экологическую опасность, дать прогноз его изменения и принять своевременные меры для нейтрализации опасных процессов.
Основными задачами проведения мониторинговых наблюдений и исследований должно явиться обеспечение безопасности разработки недр и сбалансированного природопользования.

В настоящее время технология дистанционного мониторинга и экологического контроля предназначена в первую очередь для проведения мониторинга и контроля состояния объектов нефтегазовой отрасли, хотя может быть доработана для применения в смежных областях хозяйства.

Технико-экономическая оценка результатов ПНИЭР показала целесообразность и экономическую эффективность применения технологии дистанционного лазерного мониторинга в целях оценки состояния ТЭК, т.к. при использовании технологии дистанционного мониторинга экономия затрат, связанных с природоохранными мероприятиями составит около 3 млн руб., что составляет примерно 10% от затрат на соблюдение экологических мероприятий с одной эксплуатационной скважины.