ГИС-технологии в трубопроводном транспорте

В настоящее время нефтегазовая отрасль получила новый импульс разви-тия. Впервые за 15 лет наши нефтяники начали вкладывать в отрасль деньги, и за год добыча нефти в России увеличилась на 9%, достигнув 29 млн. тонн в месяц. В соответствии с этим к 2010 году добыча нефти должна возрасти до 310-315 млн. тонн. Как следствие, в магистральном транспорте намечается создание но-вых транспортных систем, предназначенных как для оптимизации и наращивания экспортных потоков российских нефти и газа, так и для транзита из сопредельных государств. В связи с этим становится актуальным вопрос транспортировки нефти.
С этой целью на этапе обоснования инвестиций в строительство ООО "РНГС - Инжиниринг" провело технико-экономическое обоснование магистрально-го нефтепровода в Ненецком Автономном Округе от мыса Святой Нос вглубь ре-гиона протяженностью трассы порядка 450 км.

Рис.1 Обзор трассы магистрального нефтепровода в НАО В рамках проекта стояла задача создания ГИС, как динамично развиваю-щейся многомерной структуры, позволяющей проводить полный пространствен-ный анализ данных при решении не только общих, но также частных и прикладных задач, на всех уровнях от обоснования инвестиционных затрат до эксплуатации объекта. Использование такой системы позволяет, не меняя ее сути и основопо-лагающих принципов, постоянно пополнять новыми данными, обновлять и коррек-тировать уже существующие, моделировать и прогнозировать различные произ-водственные процессы, чрезвычайные ситуации и устранение последствий, от-слеживать состояние окружающей среды.

С целью создания системы был осуществлен комплекс задач, включающий следующие основные блоки:
• Создание базы геоданных на заданную территорию (топография, век-тор, данные дистанционного зондирования)
• Трассирование
• Согласование проекта и окончательное формирование трассы нефте-провода
• Лазерное сканирование
• Математическая модель местности (МММ)
• Единое информационное поле данных
• Строительство
• Эксплуатация.

Задача нахождения оптимального маршрута транспортировки нефти реша-лась с точки зрения минимизации затрат. Инвест-проектирование предусматрива-ло выполнение всех этапов работ, кроме самых дорогостоящих и трудоемких - на-земных топографических съемок и инженерно-геологических изысканий. На ста-дии инвест-проектирования их в значительной степени заменяют результаты об-работки и экспертного анализа ДДЗ Земли и существующих топографических и тематических карт и отчетов. Опыт работы показал высокую эффективность ГИС-технологий - уменьшение сроков и стоимости изысканий за счет сокращения объ-емов полевых работ и автоматизации операций.
Создание базы геоданных на заданную территорию (топография, вектор, данные дистанционного зондирования)
Для трассирования трубопровода и проведения изыскательских работ не-обходима точная базовая картографическая платформа. Поэтому была выполне-на географическая привязка как мелко-, так и крупномасштабных топографических карт в единой системе. Сложность заключалась в том, что нефтепровод - длинно-мерный линейный объект, трасса которого проходит по нескольким географиче-ским зонам. Привязка велась в специально разработанной системе координат, с минимальными погрешностями к краям территории. На объединенных в единую систему пространственных данных был проведены предварительный выбор трас-сы (с различными вариантами) и основные линейные и угловые измерения на протяжении всей трассы, а не отдельно по зонам (рис.1).

Использовался широкий спектр пространственных данных:
 топографические карты различных масштабов;
 тематические карты и описания (геологические, карты нефтяных и газо-вых месторождений, инженерно-геологических условий и т.д.);

 векторные топо- и тематические карты (данные по нефтяным и газовым месторождениям, зонам локальных и выявленных структур, по участкам землепользования, пастбищам и местам перегона оленьих стад, по природоохранным территориям и заповедникам были обновлены и от-векторизованы заново по участкам, представляющим сферу интересов);
 ДДЗ (космические снимки с LANDSAT-7, КФА-1000 и данные аэрофото-съемки).
По завершению сбора и упорядочения – каталогизации – данных о районе предполагаемого строительства с помощью ARC SDE, стало возможно перейти из стадии накопления данных к стадии анализа и моделирования.
ДДЗ Поскольку местность подвержена изменениям, происходящие эрозионные процессы земной поверхности (в зонах антропогенных нарушений), склоновые и русловые процессы, широчайшее распространение термокарста, абразия морских берегов и аккумуляция аллювиальных отложений ведут к неизбежному устарева-нию карт, возникла необходимость в сопоставлении данных топографических карт и космических снимков (рис.2). Использовались данные многозональной съемки высокого разрешения, выполняемые системой LANDSAT. Преимущество снимков - в их современности и достоверности, а обширные возможности программного обеспечения ERDAS Imagine позволили провести временной анализ и всесторон-нюю оценку этих изменений и получить уточненную информацию о местности.

Рис.2 Обновление топографических карт по космическим снимкам и выявление необозначенных на карте деталей На основе цифровой модели рельефа было выполнено пространственное моделирование данной территории в целом и проектируемого объекта в частно-сти (расчеты углов поворота, величины и направления уклонов (рис.3) по трассе нефтепровода).

Рис.3 Карта углов наклона земной поверхности Задачу визуализации быстро и эффективно решает программный модуль ERDAS Imagine VirtualGIS. В том числе он позволил, например, при проведении ТЭО имитировать пролет по трассе нефтепровода местности в режиме реального времени. Высокая детализация изображения (до 10 м) предоставляет возможность ознакомления с любым участком и объектом магистрального нефтепроводного транспорта (вертолетные площадки, головные и промежуточные насосные пере-качивающие станции, резервуарные парки, пункты налива нефти, морские прича-лы, магистральные автодороги вдоль трассы нефтепровода, пункты размещения аварийно-восстановительных бригад) (рис.4).

Рис.4 3D моделирование с использованием топоосновы и космических снимков
Трассирование
Выбор трассы проводился с учетом многочисленных факторов: протяжен-ность трубопровода, коэффициент извилистости трассы, перепады высот, количе-ство переходов через водные препятствия, геоэкологические и криолитологиче-ские характеристики трассы по каждой секции отдельно и т.д. (рис.5). Было про-ведено продольное и поперечное профилирование трубопровода, сопровождаю-щееся указанием отметок на поверхности грунта, уклона трубопровода на каждом участке, расстояний между смежными отметками, пикетажа, категорий участков нефтепровода и краткой инженерно-геологической характеристикой в полосе строительства.

Рис.5 Конструктивные решения: надземная прокладка с само-компенсацией продольных деформаций и устройство перегона для прогона оленей Интеграция географической информации с существующими данными и тре-бованиями, моделирование режима работ трубопроводной сети при различных производственных показателях и природных характеристиках местности (рельеф, подводные переходы) позволили посредством современных ГИС–технологий сформулировать разумный и наиболее рациональный вариант прохождения трас-сы нефтепровода Ненецкого Автономного Округа.
Согласование проекта и окончательное формирование трассы нефте-провода
Важный фактор в принятии обоснованного решения - это комплексное раз-витие территории и оценка внешних воздействий и вмешательств на окружающую среду, что было реализовано путем проведения специализированного анализа.
Территория НАО в связи с отсутствием естественного стабилизирующего фактора – лесов является экологически уязвимой и возможно резкое ухудшение состояния природной среды вследствие антропогенных воздействий, в том числе техногенного характера, как и все северные территории. На фоне растущих тре-бований по охране окружающей среды и постоянно корректирующихся строитель-ных норм и правил, проектные работы должны обеспечивать соблюдение этих норм в соответствии с законодательством, учитывать влияние строительства и эксплуатации нефтепровода на экологическую ситуацию региона. Поэтому было проведено экологическое обоснование принимаемых решений по выбору трассы. Объективно интерпретировать всю совокупность данных и факторов позволяет программное обеспечение ГИС.
Для оценки и прогнозирования последствий аварийных ситуаций разлива нефти разрабатывалась модель оценки воздействия на окружающую среду, в ко-торой были использованы функции Spatial Analyst 3D Analyst и Network Analyst, а также тематические карты растительности и грунтов, полученные с использовани-ем эталонов дешифрирования по снимкам LANDSAT-7. Разработанная в «РНГС-Инжиниринг» модель учитывает санирующие свойства ландшафтов, определяю-щие возможности преобразования, поглощения или нейтрализации загрязните-лей, реализуя тем самым один из главных принципов ГИС - ответ на вопрос: «что будет, если...».
Многофункциональность созданной системы обеспечивает возможность решения множества прикладных задач. Так, например, в качестве одной из них при помощи ДДЗ (LANDSAT-7) производилось выявление и оценка месторожде-ний местных строительных материалов (песков), использование которых позволя-ет существенно снизить затраты, поскольку строительство нефтепровода преду-сматривает возведение целого комплекса соответствующих объектов производ-ственной и социальной инфраструктуры.
Лазерное сканирование
Использование лазерного сканирования линейных объектов строительства обеспечивает доступ к наиболее современной и достоверной информации. Для получения материалов в объеме, достаточном для рабочего проектирования, проведено лазерное сканирование мест строительства вдольтрассовых сооруже-ний:
 насосных станций, узлов приема и пуска системы очистки и диагностики и др.;
 вертолетных площадок и аэродромов;
 переходов через крупные реки и сложных в инженерном отношении уча-стков;
 защитных сооружений и др.;
 вдольтрассовых высоковольтных линий;
 линий радиорелейной связи.
Дешифрирование и обработка полученных изображений дали возможность корректировать проектные решения и вносить изменения в существующую ин-формационную базу.
Математическая модель местности (МММ)
По результатам лазерной съемки разработана математическая модель ме-стности в полосе строительства в масштабе М 1:2000 - М 1:500 для рабочего про-ектирования.
Разработанная математическая модель местности (МММ) позволила в сжа-тые сроки получить необходимые данные как для самого трубопровода, так и при-родных и техногенных процессов, связанных с его появлением. Полученная МММ дает возможность долгосрочного и оперативного прогнозирования различных си-туаций и процессов.
Примером практического применения МММ (рис.6) является проектирова-ние технологически сложных в процессе строительства переходов через реки. Принятое техническое решение по подводной прокладке трубопровода через р.Печора и р.Куя методом наклонного бурения исключает загрязнение вод. На-глядное и максимально приближенное к реальности пространственное изображе-ние отражает ситуацию на труднопроходимом участке.

Рис.6 Подводный переход через реки

Единое информационное поле данных
На базе математической модели местности (МММ) формируется единое информационное поле данных, с помощью которого проектировщики, экологи и другие заинтересованные инстанции получают возможность быстрого и полного доступа к различного вида информации о местности (рельефе, растительности, гидрографии и пр.) и объектах, расположенных на этой местности. На этапах строительства и эксплуатации магистрального нефтепровода единое информаци-онное поле данных служит средством принятия рациональных управленческих решений.
Строительство
Использование единых пространственных данных на этапе строительства обеспечивает комплексный и всесторонний подход, возможность моделирования и оценки основных производственных циклов.
Примером может служить виртуальная строительная площадка. Визуализа-ция процесса строительства с использованием МММ и единых информационных ресурсов позволяет руководителю строительства отслеживать ситуацию во вре-мени, координировать действия строительных и снабженческих организаций, ре-шая задачи размещения и пропорционального распределения ресурсов, контро-лировать ход выполнения работ, графиков и планов (рис.7).

Рис.7 Виртуальная строительная площадка: строительство вантового перехода нефтепровода через малые реки

Эксплуатация
При эксплуатации нефтетрубопровода основной задачей становится управ-ление. Инженерные исследования и географическая информация постоянно об-новляются, изучение и объективная интерпретация состояния экологических, со-циально-экономических, природно-ресурсных условий территории и их экономи-ческая оценка с учетом изменяющихся условий рынка помогают в принятии реше-ний управленческого уровня.
Для повышения эффективности работы компании, обслуживающей данный нефтепровод, необходимо создание корпоративной ГИС, обеспечивающей инте-грацию всех ресурсов для пространственного анализа и решения аналитических и прикладных задач. Объединение такой системы с ГИС МЧС, например, поможет в наиболее быстром реагировании и эффективном устранении последствий ава-рийных ситуаций.
Таким образом, созданная гибкая и динамичная открытая система, которая постоянно развивается и моделируется относительно происходящих изменений, используется на всех этапах строительства Ненецкого трубопровода, помогая в решении экономических, экологических и управленческих задач.
Функционирование нефтегазового комплекса в ближайшие 10-15 лет будет происходить в рамках довольно жестких требований и ограничений, поэтому толь-ко сочетание огромного российского опыта проектирования, строительства и экс-плуатации нефте- и газопроводов в сложных условиях Крайнего Севера с новыми технологиями, предоставляемыми программным обеспечением ArcView и ERDAS IMAGINE, поможет добиться успехов в строительстве магистрального нефтепро-водного транспорта.

Автор: Корсей С.Г., Дьякова Н.Б, ЗАО «АРКОН»