Геоэкологический мониторинг

СИСТЕМЫ МОНИТОРИНГА ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ И СЕЙСМИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ДЛЯ ПОТЕНЦИАЛЬНО ОПАСНЫХ ОБЪЕКТОВ, РАБОТАЮЩИЕ В РЕЖИМЕ ОХРАННОЙ СИГНАЛИЗАЦИИ.

Авторы: Осипов В.И., Гинзбург А.А., Новикова А.В.

В настоящее время развитие современной социально – экономической системы  предусматривает создание и эксплуатацию таких грандиозных и экологически опасных объектов как магистральные трубопроводы, атомные электростанции, предприятия химической промышленности и т.д., то есть тех объектов,  на которых используют, производят, перерабатывают, хранят или транспортируют радиоактивные, пожаровзрывоопасные,   опасные   химические   и биологические  вещества, создающие реальную угрозу возникновения чрезвычайной ситуации. Кроме того в связи с ростом  урбанизированных территорий и увеличения городского населения появляется все больше сооружений, предназначенных для проведения массовых мероприятий (спортивные сооружения, концертные залы и т.д.),  крупных торговых и развлекательных центров  (мегамоллы, аквапарки и т.д.). Часто экологически опасные объекты или грандиозные сооружения находятся в районах сейсмо- и тектонически активной зоны, в которой происходили и могут происходить сильные землетрясения с магнитудами до семи и выше. В процессе эксплуатации необходимо  обеспечить безопасность как самих дорогостоящих сооружений, так и безопасность окружающей среды,  Поскольку эти сооружения имеют большие размеры и рассчитаны на длительный срок использования, вероятность их повреждения природными явлениями значительно возрастает и, следовательно, возрастает размер возможного ущерба. Так например, ущерб от землетрясений при эксплуатации нефтегазовых месторождений и транспортировка углеводородов составляет:  на морских трубопроводах – до 100–200 млн долл., морских платформах – до 100–1200 млн долл., танкерах – до 100–10 000 млн долл [1]. Точное прогнозирование места и времени землетрясения позволило бы значительно сократить ущерб, однако, эта проблема пока остается не решенной во всем мире.

В этих условиях своевременное распознавание опасных землетрясений и подача сигналов тревоги, а также автоматическое отключение экологически опасных объектов представляет первостепенную задачу, которая может быть решена путем создания Систем мониторинга экологической и сейсмической безопасности потенциально опасных объектов, способных предупредить  чрезвычайные  ситуации  и, таким образом, обеспечить максимально   возможное   уменьшение   риска,  сохранить здоровье людей, снизить размеры   ущерба   окружающей   природной   среде  и материальные потери.

Учреждение Российской Академии наук Институт геоэкологии им. Е.М. Сергеева имеет в своем составе специалистов высокого уровня, которые в течение многих лет выполняют  все работы, необходимые для создания системы мониторинга экологической и сейсмической безопасности, а именно: разработку элементов системы мониторинга, создание рабочего проекта, поставку оборудования для оснащения системы мониторинга, пуско-наладку и научно – методическое сопровождение  на этапе эксплуатации.

Система мониторинга экологической и сейсмической безопасности (далее в тексте «система мониторинга») – это комплексная система наблюдения за природными и техногенными процессами, воздействие которых может вызвать разрушение потенциально опасного объекта.

Система мониторинга экологической и сейсмической безопасности должна обеспечивать  мероприятия по охране окружающей среды и защите населения от последствий аварий на потенциально опасных промышленных и социально - бытовых объектах:

- непрерывный  контроль и прогнозирование развития  естественных и антропогенных событий, представляющих опасность  для  населения, хозяйственных предприятий и окружающей среды на основе анализа регистрируемой информации;

- выдачу сигналов тревоги в случае, когда контролируемые параметры превышают критические значения;

- уменьшение вероятности влияния человеческого фактора в экстремальной ситуации при принятии решения в случае экологической катастрофы.

Отличие систем мониторинга экологической и сейсмической безопасности  от обычных систем экологического или сейсмического мониторинга  - это непрерывная обработка зарегистрированных данных по заданному алгоритму  обнаружения опасных событий в реальном масштабе времени, и автоматическая выдача сигналов тревоги, когда  контролируемые параметры превышают критические значения.

В данной статье приведены два примера систем экологической и сейсмической безопасности, созданных Институтом геоэкологии им. Е.М. Сергеева РАН.

В 2005-2006 гг. ИГЭ РАН разработал и поставил  «Системы мониторинга ускорений, наведенных на верхнюю часть морских нефтегазодобывающих платформ» (английская аббревиатура – TIAMS) для месторождений Лунское- А (LUN-A)  и Пилтун – Астохское (РА-В), расположенных вблизи о. Сахалин по  проекту Сахалин 2. «Системы….»  предназначены для обеспечения безопасности при эксплуатации этих объектов.

При эксплуатации морских нефтегазодобывающих платформ в сейсмически активных районах при сильном землетрясении существует опасность  повреждения внутренних трубопроводов платформы, что может привести к масштабной экологической катастрофе. Последствия подобной катастрофы можно минимизировать, если остановить добычу нефти и газа в начале сильного землетрясения. Поскольку помимо землетрясений на платформу и ее опоры в процессе эксплуатации могут воздействовать другие типы ударных нагрузок: движущиеся ледовые поля; штормовые волны; ветровые нагрузки; удары корабля; падение на платформу вертолета при его взлете или посадке; работа различных механизмов платформы, «Система мониторинга …» должна распознавать разрушительные землетрясения от других типов воздействий, которые не будут приводить к катастрофическим последствиям.

Анализ поведения конструкции нефтегазодобывающих платформ при воздействии  землетрясений и ударных нагрузок другого типа был проведен на предоставленных  Заказчиком моделях платформ LUN-A и РА-В и различных моделях землетрясений, созданных в программе   ABAQUS. Моделирование остальных типов воздействий на модели платформ было проведено специалистами ИГЭ РАН.

В результате анализа откликов нефтегазодобывающих платформ на воздействия землетрясений и остальных ударных нагрузок были выявлены особенности возбуждения механических колебаний платформы, которые позволили разработать алгоритм обнаружения разрушительного землетрясения и выбрать места установки акселерометров «Системы мониторинга…» для каждой платформы.

В качестве метода контроля  землетрясений и ударных нагрузок на платформу был выбран мониторинг ускорений в точках, определенных с помощью моделирования. «Система мониторинга…» ведет непрерывную регистрацию ускорений, обрабатывает полученные данные в соответствии с алгоритмом обнаружения  разрушительных землетрясений и в случае распознавания опасного землетрясения, вырабатывает сигнал аварийного отключения оборудования платформы.

Среди других систем мониторинга, контролирующих безопасную эксплуатацию нефтегазодобывающих платформ LUN-A и PA-B,  «Система мониторинга ускорений…» имеет наивысший приоритет. В случае обнаружения  разрушительного землетрясения «Система мониторинга….) выдает автоматический сигнал аварийного отключения платформы, по которому перекрывается подводная часть скважин и трубопроводов, а накопленный газ выжигается в факеле. Дальнейшее поведение персонала платформы определяется  в соответствии с планом мероприятий, разработанным Заказчиком. 

«Система мониторинга…» разработана с учетом повышенных требований к надежности функционирования: датчики Системы триплированы, а все важнейшие узлы по передаче информации и принятию решений – дублированы. На датчики « Системы мониторинга…» и всю систему в целом получены Сертификаты утверждения типа.

На рис. 1. Показана упрощенная структурная схема « Системы мониторинга ускорений….». «Система…» включает в себя 6 Блоков удаленных измерительных и Шкаф управления. На рис. 2-4 показаны элементы « Системы мониторинга ускорений…». На рис. 5 Блок удаленный измерительный, смонтированный на платформе РА-В.

Обобщенные технические характеристики «Системы мониторинга…»

 

№ п.п.

 

 

Наименование параметра

Значение

1

Количество точек измерения ускорения

6

2.

Количество осей измерения ускорения

3

3.

Диапазон измеряемых ускорений,  м/с2

±(0,03 - 30,00)

4.

Диапазон частот измеряемых ускорений, Гц

0,1…10

5

Разрядность оцифровки измеряемых ускорений, бит

24

6.

Максимальная частота дискретизации измеряемых ускорений, Гц

200

7

Разрядность обработанных результатов измерения ускорений, бит

16

8.

Среднее значение цены младшего разряда обработанных результатов измерений ускорений, м/с

4,33х10-6 ± 10%

9.

Порог срабатывания сигнала «остановка», м/с2

1…10

10.

Напряжение источника первичного электропитания, В.

230 В, 50 Гц

11.

Потребляемая мощность, не более, Вт.

300

12.

Масса, не более, кг.

700

 

Монтажные работы были обусловлены спецификой строительства нефтегазодобывающих платформ. Ноги – опоры платформ LUN-A и РА-В и гравитационный фундамент были изготовлены Российскими предприятиями и устанавливались отдельно. Верхние части платформ собирались на верфях Самсунг в Южной Корее. Монтаж «Систем мониторинга ускорений…» на двух платформах был проведен специалистами фирмы Самсунг по документации ИГЭ РАН.

После полного монтажа верхних частей платформ они были транспортированы к месту окончательной установки на шельфе острова Сахалин.

Пуско-наладочные работы «Системы мониторинга ускорений…» проводились как в процессе сборки верхней части нефтегазодобывающих платформ на верфях Самсунг в Южной Корее, так и после того как морские нефтегазодобывающие платформы были окончательно установлены на шельфе о-ва Сахалин.

b_400_400_16777215_00___images_articles_monitoring_01.gifРис 1. Упрощенная структурная схема «Системы мониторинга ускорений….»

Цифры 1-6 обозначают  Блоки удаленные измерительные, расположенные на разных палубах нефтегазодобывающей платформы; С – Шкаф управления.

b_400_400_16777215_00___images_articles_monitoring_02.jpgРис. 2.  Шкаф управления «Системы мониторинга ускорений…» установленный в помещении с основным оборудованием нефтегазодобывающей платформы.

b_400_400_16777215_00___images_articles_monitoring_03.jpgРис. 3. Трехкомпонентный акселерометр

b_400_400_16777215_00___images_articles_monitoring_04.jpgРис. 4. Блок удаленный измерительный с открытой крышкой.

b_400_400_16777215_00___images_articles_monitoring_05.jpgРис. 5. Блок удаленный измерительный «Системы мониторинга ускорений…..» установленный на нефтегазодобывающей платформе РА-В.

b_400_400_16777215_00___images_articles_monitoring_06.jpgРис. 6. Главный инженер проекта Савосин В.В. во время пуско-наладки «Системы мониторинга ускорений….» на верфях Самсунг, Ю. Корея.

Вторым примером системы мониторинга экологической безопасности является Система мониторинга опасных геологических процессов (далее СМОГП), которую в 2008 году разработал ИГЭ РАН. СМОГП предназначена для осуществления мониторинга оползневых процессов берегового склона р. Енисей в режиме реального времени. Система осуществляет оперативный сбор измерительных данных о состоянии наблюдаемых оползневых процессов, их обработку и анализ, распределение результатов мониторинга между пользователями и контролирует безопасность торгово-развлекательного комплекса «Июнь», расположенного на береговом склоне.

b_400_400_16777215_00___images_articles_monitoring_07.jpgРис. 7. Торгово – развлекательный комплекс «ИЮНЬ», расположенный на берегу р. Енисей (г. Красноярск).

СМОГП контролирует параметры,  характеризующие развитее оползневых процессов:

  • уровень подземных вод,
  • температуру воды,
  • глубинные деформации (смещение грунтовых масс),
  • атмосферное давление (вспомогательный параметр).  

Типы точек контроля, их количество и места размещения на береговом склоне р. Енисей были определены на стадии разработки рабочего проекта СМОГП с учетом геологических условий и особенностей возможных активизаций оползневых деформаций.

СМОГП включает в себя следующие элементы:

  • восемь точек контроля смещения грунтовых масс и две точки контроля изменения уровня грунтовых вод;
  • автоматизированное рабочее место геолога (АРМ-Г), обеспечивающее организацию процесса сбора, обработки и распределения данных в СМОГП и осуществляющее управление работой всех ее элементов;
  • каналы сотовой связи для обеспечения передачи информации внутри СМОГП между точками контроля и АРМ- Г. В АРМ-Г имеется возможность подключение к локальной вычислительной сеть ТРЦ «Июнь» через Ethernet для передачи информации в Единую Дежурно-Диспетчерскую Службу Министерства Чрезвычайных Ситуаций г. Красноярска.

Точки контроля смещения грунтовых масс (глубинные реперы) оснащены оборудованием  для контроля, как глубинных подвижек, так и деформации в насыпных грунтах.

Точки контроля уровня подземных вод (гидрогеологические наблюдательные скважины), располагаются  рядом с точками контроля смещения грунтовых масс. Они оснащены оборудованием, которое дает информацию об изменениях уровня подземных вод, как фактора влияющего на развитие оползневого процесса.

b_400_400_16777215_00___images_articles_monitoring_08.jpgРис. 8 – Структурная схема СМОГП.

b_400_400_16777215_00___images_articles_monitoring_09.jpgРис. 9 – Точка контроля уровня подземных вод.

Точка контроля уровня подземных вод представляет собой скважину с обсадкой и оголовком, внутри которой смонтирован комплекс регистрации уровня подземных вод (КРУВ). (Рис. 9)

Скважина имеет глубину 30 м и оборудована фильтром и отстойником на глубину не менее 1 метра ниже фильтра. Каждая наблюдательная скважина в целях предохранения от случайного или умышленного повреждения оборудуется специальным защитным люком и датчиком несанкционированного доступа. В глубине скважины размещается Канал регистрации гидрогеодинамических полей (КРГП).

В контейнере, изготовленном из бетонного колодезного кольца (диаметр 1 метр, высота 90 сантиметров) размещается аккумулятор и Блок сбора и передачи данных (БСПД) с антенной GSM и датчиком несанкционированного доступа. Днище контейнера засыпается крупным щебнем, а верх имеет слой теплоизолирующего материала и закрыт люком. Контейнер имеет дренажную трубу с выходом на склон. Датчики регистрации уровня, температуры подземных вод и атмосферного давления располагаются в скважине.

Канал регистрации гидрогеодинамических полей КРГП (уровнемер) проводит непрерывные автоматизированные измерения уровня и температуры воды, атмосферного давления в скважине и обеспечивает передачу данных в Блок сбора и передачи данных (БСПД).

Блок сбора и передачи данных по каналам GSM (БСПД GSM) выполняет прием, хранение, передачу и привязку информации к системе единого времени.

b_400_400_16777215_00___images_articles_monitoring_10.jpg
Рис. 10 – Точка контроля смещения грунтовых масс.

В точке контроля смещения грунтовых масс  (см. рис.10) размещен Комплект оборудования глубинного репера (КОГР).

Точка контроля смещения грунтовых масс представляет собой 2 скважины (вертикальную и горизонтальную) с установленными в них анкерами, соединенными тросами с оголовками и комплектом оборудования глубинного репера.

Горизонтальная скважина имеет глубину 20 метров. Скважина заглубляется в коренные породы на 1-3 метра. По всей длине скважина укреплена забивной обсадной трубой. В коренном массиве закреплен анкер, к которому подсоединен измерительный трос. Другой конец троса соединен с УДС, который размещен в установочном патрубке обсадной трубы диаметром 146 мм.  

Вертикальная скважина имеет глубину 35 метров. На разных уровнях скважины размещены анкеры, к концам которых привязаны измерительные тросы, другие концы которых  в свою очередь соединены с соответствующим УДС.  Скважина засыпана гравием.

Оголовок скважины представляет собой контейнер, изготовленный из 2-х бетонных колодезных колец (размеры колец: диаметр 1 метр, высота первого кольца - 90 сантиметров, второго - 59 сантиметров, высота всего контейнера - 1.5 метра). Днище контейнера засыпается крупным щебнем, а верх имеет слой теплоизолирующего материала и закрыт люком. Контейнер имеет дренажную трубу с выходом на склон. В устье каждой из скважин монтируется обсадная труба с пристыкованным к ней установочным патрубком диаметром 146 мми длинной 900 мм для горизонтальной скважины и 3-3,5 м для вертикальной. Данная труба используется как устойчивая основа для крепления в ней унифицированных датчиков смещения (УДС). Контейнер оборудован полкой для размещения аккумулятора. На установочном патрубке размещается приспособление для монтажа БСПД и клемм заземления. В крышке люка установлен радиопрозрачный кожух GSM-антенны.

Каждая наблюдательная скважина в целях предохранения от случайного или умышленного повреждения оборудуется специальным защитным люком с устройством запирания и датчиком несанкционированного доступа.

Для организации процесса сбора, обработки и распределения данных в СМОГП, а так же для управления работой всех элементов СМОГП предусмотрено автоматизированное рабочее место геолога (АРМ-Г), которое представляет собой IBM совместимый компьютер.

b_400_400_16777215_00___images_articles_monitoring_11.jpgРис. 11. Общий вид главного окна рабочей программы СМОГП.

b_400_400_16777215_00___images_articles_monitoring_12.jpgРис. 12. Комплект оборудования глубинного репера.

b_400_400_16777215_00___images_articles_monitoring_13.jpgРис. 13. Комплект оборудования регистрации уровня подземных вод.

Для сбора и обмена информации  внутри СМОГП используются каналы сотовой связи, для чего в состав АРМ-Г включены два GSM- модема (основной и резервный), а каждая точка контроля имеет в составе один GSM – модем. 

В АРМ-Г существует два режима пользовательского доступа к информации. Доступ к каждому из режимов работы осуществляется по паролю.

Первый режим доступа – «Оператор», в котором возможен только просмотр всех параметров точек контроля и региона, измерительных данных и тревожных сообщений, а  изменение структуры системы или настроек любых устройств СМОГП в этом режиме невозможно.

Второй режим доступа – «администратор», в котором возможно дистанционно по каналам сотовой связи произвести изменение настроек БСПД и  УДС, а также изменить  структуру системы (в случае добавления новых точек контроля).

В СМОГП предусмотрена возможность передачи сигналов тревоги в Единую дежурно-диспетчерскую службу МЧС г. Красноярска через Интернет. Для обмена данными между СМОГП и другими источниками получения информации, необходимой для принятия решений, используются каналы сотовой и кабельной телефонной связи, а также Интернет.

СМОГП имеет два режима функционирования: штатный и нештатный. При любом режиме функционирования данные с оборудования точек контроля берегового склона подвергаются обработке в реальном времени. В случае если скорость смещения грунтовых масс или скорость изменения уровня подземных вод менее заранее заданного порога,  информация регистрируется и в дальнейшем подвергается анализу и сопоставлению с данными, полученными ранее. В другом случае, когда скорость смещения грунтовых масс или скорость изменения уровня подземных вод с какой – либо точки контроля превосходит заранее заданный порог,  оборудование вместе с данными передает сигнал тревоги.  Сигнал тревоги служит основанием для перехода во внештатный режим работы, при котором принимаются  решения о более детальном обследовании берегового склона и, в случае необходимости, об эвакуации людей из здания ТРК «ИЮНЬ» и о дополнительном укреплении берегового склона.  

В ноябре 2008 г. был проведен монтаж, пуско-наладка и СМОГП была сдана в эксплуатацию. ( Рис. 14.)

 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 

  1. С.П. Алексеев, А.Н. Добротворский, С.В. Яценко, М.Л. Красный, А.Е. Малашенко, В.Н. Храмушин «О комплексной системе обеспечения безопасности освоения морских нефтегазовых месторождений Сахалина» - «Морские исследования и технологии изучения природы Мирового океана», вып. 1, 2005 г.
  2. А.А.Гинзбург,  А.Б.Манукин, О.К.Миронов, А.В.Новикова «Пространственные и спектральные характеристики колебаний морских нефтегазодобывающих платформ, вызванных землетрясениями и иными воздействиями» - журнал «Геоэкология» № 5, 2009 г.
  3. А.А. Гинзбург, Ицко А.С., Кондратенко Р.И., Манукин А.Б., Миронов О.К., Новикова А.В. «Моделирование различных воздействий на морские нефтегазодобывающие платформы для систем выявления опасных землетрясений»- «Вопросы инженерной сейсмологии» № 2, 2008 г., том 35.

  

Авторы статьи:

Осипов Виктор Иванович, академик, директор Учреждения Российской Академии наук Института геоэкологии им. Е.М. Сергеева (ИГЭ РАН)

Гинзбург Александр Абрамович, начальник отдела информационно измерительных систем ИГЭ РАН

Новикова Анна Викторовна, научный сотрудник ИГЭ РАН