Экологический мониторинг нефтяных загрязнений

При этом должны быть использованы новые научно-технические решения, включая автоматизацию измерений, робототехнику, а также тематические методы обработки спутниковой информации и распознавания сигналов.

 

2.4 Технические средства комплексного экологического мониторинга

 

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.