Технология многоуровневого экологического мониторинга в целях информационного обеспечения безопасности морской добычи нефти и газа

На основе анализа передового зарубежного опыта создания систем контроля окружающей среды в районе функционирования морских нефтегазовых промыслов специалистами Института океанологии им. П.П. Ширшова РАН разработана технология многоуровневого экологического мониторинга. Эта разработка позволит в масштабе времени, близком к реальному, осуществлять контроль и прогнозирование негативных последствий техногенных загрязнений акватории (а в сейсмоопасных районах — геодинамической активности) и обеспечивать необходимой информацией процесс принятия адекватных управленческих решений для минимизации ущерба.
Крупнейшие мировые компании ТЭК, вовлеченные в добычу углеводородного сырья на морском шельфе, системно работают над повышением экологической безопасности морских операций, одним из направлений чего является совершенствование осуществляемого ими экологического мониторинга. Экологический мониторинг морских акваторий в ходе производственной деятельности способствует сближению интересов государства и бизнеса, связанных с использованием и освоением шельфовой зоны.
Организация эффективного экологического мониторинга производственной деятельности предприятий ТЭК на морском шельфе становится все более актуальной, в первую очередь, из-за расширения добычи и транспортировки углеводородного сырья, что в аварийных ситуациях может приводить к негативным последствиям для прибрежных территорий. Согласно Морской доктрине Российской Федерации на период до 2020 г., утвержденной указом Президента РФ №ПР-1387 от 27.07.2001, «предотвращение загрязнения морской среды» — одно из основных положений, относящихся к обеспечению национальных интересов в Мировом океане. Одним из принципов национальной морской политики является «развитие систем мониторинга за состоянием морской природной среды и прибрежных территорий». Особенно актуальны задачи экологического мониторинга при освоении месторождений в Каспийском море (см. «Специальные экологические и рыбохозяйственные требования для проведения геологического изучения, разведки и добычи углеводородного сырья в заповедной зоне в северной части Каспийского моря на лицензионных участках «Северный», «Восточно-Ракушечная» и «Северо-Каспийская площадь», утвержденные МПР РФ в 2005 году). В последние годы экологическому мониторингу морских акваторий уделяется гораздо больше внимания, чем раньше. В частности, Институт океанологии им. П.П. Ширшова Российской Академии Наук (ИОРАН) выполнил работы в рамках проекта ФЦНТП Минобрнауки (РП–22.1/001) «Создание системы многоуровневого регионально-адаптированного экологического и геодинамического мониторинга морей Российской Федерации, в первую очередь шельфа и континентального склона», в результате которых была разработана система информационного обеспечения промышленной и экологической безопасности объектов обустройства месторождения нефти и газа на морском шельфе.
Одна из ведущих нефтяных компаний ОАО «ЛУКОЙЛ» создала специальные программы производственного экологического мониторинга для разработки месторождений на Каспийском море [4,5] и Кравцовского месторождения на Балтийском море [6], где уже установлена морская ледостойкая стационарная платформа (МЛСП Д-6). При этом следует отметить широкое использование спутникового мониторинга юго-восточной Балтики в качестве одной из основных компонент контроля экологического состояния окружающей среды [7]. Недостатком мониторинга, проводимого на Д-6, является отсутствие технических средств проведения мониторинга состояния морской среды на самой МЛСП Д-6 (там установлена только автоматическая метеостанция).
В 2005 г. Морская коллегия при Правительстве РФ поручила Минпромэнерго, МПР, Минобороны, Минобрнауки, Росгидромету совместно с РАН проработать вопрос использования морских буровых платформ, осуществляющих разведочное или эксплуатационное бурение на континентальном шельфе России, в качестве технологических носителей системы комплексного многоуровневого экологического и метеорологического мониторинга, а в сейсмоактивных районах и геодинамического мониторинга. Специалистами ИОРАН были подготовлены предложения по этой проблеме, представленные как официальные предложения РАН. Для ООО «ЛУКОЙЛ-Нижневолжскнефть» ИОРАН совместно с ГУ «Каспийский морской научно-исследовательский центр» подготовил конкретные предложения по техническим средствам и информационной системе экологического мониторинга при обустройстве месторождения им. Ю. Корчагина.
В данной статье кратко описаны основные составляющие разработанной технологии многоуровневого экологического мониторинга.
Комплексный многоуровневый мониторинг морской среды
Система постоянного контроля за объектами недропользования в морских акваториях должна обеспечивать информацию о ключевых параметрах морской среды в реальном времени с целью оценки текущих воздействий, с одной стороны, на объекты недропользования, с другой — на важнейшие компоненты морских экологических систем. Основная задача оперативного экологического мониторинга заключается в контроле за возможными техногенными загрязнениями. Раннее обнаружение утечек загрязняющих веществ необходимо для своевременного принятия мер по предотвращению крупных аварий. Данные длительного мониторинга используются для отслеживания состояния ключевых экологических параметров и для выделения антропогенных факторов на фоне естественных природных трендов. Это позволяет прогнозировать негативные последствия и принимать адекватные решения для минимизации риска ущерба.

Система экологического мониторинга должна обладать следующими характеристиками:
• иметь многоуровневую структуру (см. рис. 1);
• обеспечивать непрерывную информацию об изменении ключевых параметров состояния взаимодействующих природных сред: приводного слоя атмосферы, поверхности моря, водной толщи, морского дна, включая осадочный слой и земную кору;
• использовать многосенсорный подход с применением современных дистанционных и контактных технических средств и методов;
• быть экономически эффективной и основанной преимущественно на отечественных технологиях;
• быть регионально-адаптированной с учетом региональных особенностей шельфовой зоны, локальной структуры и динамики экосистем и характера антропогенной нагрузки, а также учитывать особенности регионального климата.
При этом должны быть использованы новые научно-технические решения, включая автоматизацию измерений, робототехнику, а также тематические методы обработки спутниковой информации и распознавания сигналов.
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 [3]. При этом применяются гидрометеорологические приборы, соответствующие по своим техническим характеристикам требованиям нормативно-методических документов, в том числе Госстроя [2].
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.
В стандартной комплектации «Аквазонд» оснащен измерителем температуры, электропроводности и давления типа NXIS, предназначенным для длительного автоматического мониторинга и защищенным от биологического обрастания с помощью специальных средств. Этот измеритель может быть доукомплектован дополнительными датчиками для гидрохимических определений содержания растворенных метана, углекислого газа и кислорода. В стандартную комплектацию «Аквазонда» также входит акустический доплеровский измеритель течений Aquadop3D. Измерители такого типа широко применяются на нефтяных платформах таких компаний, как BHP, BP Inc., Chevron, Conoco Phillips, Shell, Exхon в Мексиканском заливе у побережья США и на шельфе о. Сахалин. Принцип действия этих приборов основан на измерении сдвига частоты акустических волн, отражаемых взвешенными частицами, которые переносятся морскими течениями. Поскольку модуляция акустического сигнала происходит из-за наличия взвешенных частиц, данный измеритель может быть использован для определения содержания взвеси в воде, что важно для контроля экологической обстановки вблизи скважины.
По выбору заказчика для измерений течений и волнения предлагается использовать либо акустические доплеровские измерительные системы, либо классические мареографы, выполняющие прецизионные измерения колебаний давления столба воды (уровня моря), вызванных ветровыми волнами, зыбью, приливами и сгонно-нагонными явлениями.
В северных морях для измерения толщины льда рекомендуется использовать подводный сонар типа SWIP, также широко применяемый за рубежом, в том числе вблизи нефтяных платформ в полярных районах. Этот измеритель обеспечивает наблюдения за кромкой подводной части морского льда с высокой точностью (не хуже 0,05 м) путем измерения времени прохождения акустического сигнала в вертикальном направлении от излучателя, установленного на дне, до нижней границы льда.
Измерители уровня моря и толщины льда устанавливаются на дне в специальных рамах. Передача данных с этих приборов осуществляется по специальному армированному кабелю, выдерживающему нагрузки во время интенсивных штормов.
Подсистема работает полностью в автоматическом режиме. Техническое обслуживание подводной части, включая очистку аппаратуры от биообрастания, проводится не чаще, чем 1 раз в 3 месяца.
Достоинством подсистемы является режим контроля в реальном времени — все данные измерений непрерывно поступают в микропроцессорную подсистему информационного обеспечения непосредственно на 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.
Подсистема представляет собой уникальный комплекс, включающий лидарную и радиолокационную системы, взаимно дополняющие друг друга. Комплекс работает в автоматическом режиме.
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.
В рамках настоящей работы предлагается устанавливать лидарный комплекс (см. фото 1) непосредственно на буровую платформу. Комплекс, включающий два приемопередающих модуля, обеспечивает возможность кругового обзора близлежащей акватории площадью не менее 3.104 м2 (при размещении на нефтедобывающей платформе на высоте 30 м над уровнем моря). Сеанс зондирования проводится в течение 10 минут с периодичностью каждые 6 часов при пространственном разрешении 2 м или в течение 5 минут с периодичностью каждые 3 часа при разрешении 4 м. По результатам зондирования формируется двумерная развертка отображения водной поверхности с обнаруженными пятнами нефтяных загрязнений (если таковые имеются).
В состав стандартного лидарного комплекса, помимо двух приемопередающих модулей, входит бортовой модуль управления, обработки, отображения и хранения результатов зондирования. По условиям эксплуатации лидарные модули должны размещаться в кондиционированных кабинах. Регламентные работы с лидарами проводятся ежеквартально специально обученным персоналом.
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.
Информация о развитии процесса растрескивания твердой среды, обрамляющей куст скважин, может быть получена с помощью системы сейсмологического мониторинга, развернутой в районе нефтедобывающей платформы. Наблюдения с помощью этой системы позволяют обнаружить признаки начала разрушения среды, выраженные в наличии микроземлетрясений, спровоцированных нарушением порового давления, если они происходят в районе месторождений. Опыт ИОРАН показывает, что донные сейсмографы, имеющие высокую чувствительность, способны регистрировать очень слабые (микро-) землетрясения с отрицательными магнитудами.
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).
Сейсмические датчики размещаются на донном грунте в отдельном прочном корпусе, на котором закрепляется гидрофон; чувствительный элемент гидрофона непосредственно контактирует с водой. Гидрофонный канал сейсмографа обеспечивает непрерывное измерение колебаний давления воды в придонном слое в диапазоне частот от 3 до 30 Гц.
Блоки электроники обеспечивают усиление, частотную фильтрацию и непрерывную оцифровку информации от сейсмических датчиков и гидрофонов и передачу ее по кабелям на компьютер, расположенный на платформе.
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.).
Одним из пригодных для такого использования является аппарат ТПА «Гном» (см. фото 2), разработанный в ИОРАН. Этот аппарат хорошо себя зарекомендовал в экологических работах МЧС РФ на о. Байкал, Балтийском и Белом морях. Средства для дистанционного управления аппаратом через компьютерные сети позволяют использовать его для долговременного мониторинга подводных объектов с передачей видеоинформации, так же, как и телеметрии на любые расстояния через проводные и беспроводные (в том числе спутниковые) каналы связи.

Подсистема спутникового мониторинга нефтяных загрязнений в первую очередь должна опираться на радиолокационные спутники (см. подробнее [1]). 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.
Следует отметить, что законодательство РФ накладывает определенные обязательства на природопользователей в части передачи полученной ими информации о состоянии окружающей среды уполномоченным государственным органам (Постановление Правительства РФ №1410 от 21.12.99 «О создании и ведении Единого государственного фонда данных о состоянии окружающей природной среды, ее загрязнении», Постановление Правительства РФ №128 «Об утверждении положения о предоставлении информации о состоянии окружающей природной среды, ее загрязнении и чрезвычайных ситуациях техногенного характера, которые оказали, оказывают, могут оказать негативное воздействие на окружающую природную среду»).
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.