Способ автоматизированных измерений и дистанционной передачи данных для геотехнического мониторинга объектов добычи газа Российский патент 2025 года по МПК G01S15/00 

Изобретение относится к области проектирования и создания системы геотехнического мониторинга объектов добычи газа на основе применения комплекса наземных и аэрокосмических наблюдений, автоматизации измерений и дистанционной передачи данных и может быть использовано при организации и проведении геотехнического мониторинга на месторождениях газа.

Наиболее близким аналогом заявленного изобретения является способ получения, обработки, отображения и интерпретации геопространственных данных для геодезического мониторинга деформационного состояния инженерного объекта (см. патент №RU 2668730 С1, опубл. 02.10.2018). Изобретение относится к области создания трехмерных цифровых моделей. Технический результат - повышение достоверности и точности получаемых геопространственных данных за счет использования технологий лазерного сканирования в трехмерном пространстве. Способ содержит этапы, на которых создают планово-высотное обоснование в местной системе координат по опорным пунктам на контролируемом участке, в контрольных точках на элементах конструкций инженерного объекта устанавливают геодезическую контрольно-измерительную аппаратуру, при помощи которой выполняют натурные наблюдения геодезическими методами за планово-высотными смещениями элементов конструкций инженерного объекта, при этом дополнительно интегрируют цифровые датчики, с помощью которых получают геопространственные данные по координатам X, Y, Z элементов конструкций инженерного объекта.

Недостатком этого способа является отсутствие оперативной площадной оценки перемещений и деформаций земной поверхности, объектов и их элементов, контроля опасных экзогенных процессов, контроля состояния грунтового массива, в том числе температурного режима грунтов основания.

Известен способ проведения геотехнического мониторинга линейных сооружений и площадных объектов на основе воздушного лазерного сканирования (см. патент № RU 2655956 С1, опубл. 30.05.2018). Изобретение относится к способам дистанционного геотехнического мониторинга линейных сооружений и площадных объектов. Сущность способа: проводят воздушное лазерное сканирование местности, дешифрируют экзогенные геологические процессы и инженерно-геологические условия, проводят режимные наблюдения за выявленными экзогенными геологическими процессами и выявляют появление новых экзогенных геологических процессов. Технический результат: повышение точности результатов мониторинга.

Недостатком указанного выше технического решения является отсутствие определения изменения пространственного положения и деформаций объектов, изменения свойств грунтов основания (температурного режима).

Задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является создание способа автоматизированных измерений и дистанционной передачи данных для геотехнического мониторинга объектов добычи газа.

Техническим результатом заявленного технического решения является повышение эффективности проведения геотехнического мониторинга на месторождениях газа за счет сокращения трудоемких классических наблюдений в ручном режиме (нивелирование) и оптимизации геотехнического мониторинга путем комплексирования наземных и аэрокосмических методов контроля с применением системы автоматизации измерений и дистанционной передачи данных.

Система автоматизированных измерений и дистанционной передачи данных для геотехнического мониторинга объектов добычи газа (далее - Система), состоит из:

- блока дистанционного контроля - спутниковые наблюдения по данным радиолокационных и оптических съемок (далее - БДК (СН)), включающего: стэки радиолокационных снимков, оптические снимки, пункты контроля БДК (СН) (естественные постоянные отражатели), каналообразующие средства связи;

- блока дистанционного контроля - наземное лазерное сканирование объектов (далее - БДК (НЛС)), включающего: наземный лазерный сканер, пункты контроля БДК (НЛС) (станции сканирования, рефлекторные марки), полевой персональный компьютер со специализированным программным обеспечением, каналообразующие средства связи;

- блока автоматизированного параметрического контроля (далее - БАПК), включающего: пункты контроля БАПК (датчики контроля кренов, осадок и деформаций объектов и их элементов, датчики температуры грунтов основания), каналообразующие средства связи и общую шину информационного обмена, станции сбора и преобразования данных с каналообразующими средствами связи;

- блока маркшейдерско-геодезического контроля классическими методами (нивелирование) (далее - БМГК), включающего нивелир, пункты контроля БМГК (реперы маркшейдерской опорной сети и геодезической сети, деформационные марки), каналообразующие средства связи;

- сервера мониторинга, включающего: автоматизированное рабочее место оператора с ПЭВМ на базе процессора (Intel/AMD/Эльбрус), каналообразующие средства связи; при этом БДК (СН) соединен через каналообразующие средства связи по каналам связи с каналообразующими средствами связи сервера мониторинга; БДК (НЛС) соединен через каналообразующие средства связи по каналам связи с каналообразующими средствами связи сервера мониторинга; БАПК, включая датчики контроля кренов, осадок и деформаций объектов и их элементов, датчики температуры грунтов основания, станции сбора и преобразования данных с каналообразующими средствами связи, соединен через каналообразующие средства связи по каналам связи с каналообразующими средствами связи сервера мониторинга; БМГК соединен через каналообразующие средства связи по каналам связи с каналообразующими средствами связи сервера мониторинга; при этом каналообразующие средства связи сервера мониторинга соединены с автоматизированным рабочим местом оператора с ПЭВМ на базе процессора (Intel/AMD/Эльбрус), при этом ПЭВМ на базе процессора (Intel/AMD/Эльбрус) автоматизированного рабочего места оператора мониторинга выполняет следующие функции:

- сбор, математическую обработку и архивирование поступающей информации от БДК (СН), БДК (НЛС), БАПК, БМГК;

- вычисление контролируемых параметров;

- определение отклонения контролируемых параметров от предельных значений;

- создание информационной модели объекта;

- ведение автоматизированной базы данных по объекту, включая первичную информацию, измерения, результаты обработки, аналитическую информацию;

- непрерывный автоматизированный контроль состояния объекта и его элементов;

- подготовка отчетов в автоматизированном режиме;

- вывод на экран сообщения о наличии превышения предельных значений.

В качестве каналообразующих средств связи Системы используются спутниковые автономные каналы, каналы LPWAN, GSM модемы, Flash-накопители, Ethernet кабели, проводные каналы (оптоволокно, витая пара).

Технический результат достигается заявленным способом за счет того, что:

- создают информационную модель объектов добычи газа в любом доступном специализированном программном продукте на основе собранных и полученных данных, включая проектную, исполнительную документацию;

- выполняют радиолокационную интерферометрическую съемку со спутника на заданную территорию с последующей интерферометрической обработкой стэков (комплектов) радиолокационных космических снимков, выявляют пункты БДК (СН) - естественные постоянные отражатели (далее - ЕПО) на объектах добычи газа;

- осуществляют установку на объектах добычи газа элементов Системы, включая пункты контроля и оборудование (в том числе станции сбора и преобразования данных, каналообразующие средства связи) БДК (НЛС), БАПК, БМГК;

- выполняют определение начального пространственного положения установленных на объектах пунктов контроля Системы (БДК (СН), БДК (НЛС), БАПК, БМГК);

- полученные данные начального пространственного положения пунктов контроля Системы (БДК (СН), БДК (НЛС), БАПК, БМГК) по каналообразующим средствам связи передают на сервер мониторинга и далее на рабочее место оператора Системы;

- полученные данные начального пространственного положения пунктов контроля Системы (БДК (СН), БДК (НЛС), БАПК, БМГК) выгружают в информационную модель объектов добычи газа, выполняют увязку всех пространственных данных в единую систему координат;

- выполняют нулевой и последующий циклы измерений на пунктах контроля Системы (БДК (СН), БДК (НЛС), БАПК, БМГК) с заданной периодичностью;

- выполняют с помощью БДК (СН) дистанционное пространственное определение вертикальных перемещений и скорости вертикальных перемещений земной поверхности и объектов добычи газа с периодичностью не менее 12 раз в каждый бесснежный период. В информационной модели объектов добычи газа выполняют классифицирование территории и объектов по отношению текущих значений вертикальных перемещений, скорости вертикальных перемещений, полученных БДК (СН), к их предельным значениям, установленным нормативной, проектной или иной документацией, выполняют выявление объектов с разными классами значений, создают (корректируют) модель перемещений и деформаций территории и объектов добычи газа;

- в зависимости от полученного класса значений по данным БДК (СН), выбирают (корректируют) объекты и места установки пунктов контроля БДК (НЛС), устанавливают периодичность и выполняют с помощью БДК (НЛС) высокоточное автоматизированное определение пространственного положения в трехмерном формате (координаты х, у, z) и, далее, по осям х, у, z измеряют перемещения и деформации, скорость перемещений и деформаций фундаментов и конструкций объектов. В информационной модели объектов выполняют классифицирование значений, полученных БДК (НЛС), по отношению к предельным значениям, установленным нормативной, проектной или иной документацией, выявляют участки фундаментов и конструкций объектов с разными классами значений, создают трехмерные модели объектов и деформаций объектов, детализируют модель перемещений и деформаций объектов добычи газа;

- в зависимости от установленных классов значений деформаций, скоростей деформаций участков фундаментов и конструкций объектов по данным БДК (НЛС) определяют/корректируют количество и места размещения пунктов контроля БАПК, выполняют непрерывный автоматизированный параметрический контроль углов наклона и деформаций с дистанционной передачей данных в режиме реального времени в информационную модель объектов, детализируют модель перемещений и деформаций объектов добычи газа по данным непрерывного контроля;

- выполняют автоматизированный контроль температурного режима грунтов с определенной периодичностью (для объектов, расположенных на Крайнем Севере), в информационной модели объектов сопоставляют результаты с результатами модели перемещений и деформаций;

- в пунктах контроля БМГК, выбранных с учетом работы всей системы мониторинга, выполняют нивелирование по деформационным маркам (классический метод наблюдений) и выполняют верификацию модели перемещений и деформаций;

- после каждого цикла наблюдений (данные непрерывного контроля поступают в режиме реального времени) осуществляет выгрузку данных в информационную модель объекта и построение комплексных двухмерных и трехмерных моделей перемещений, деформаций и их скоростей, температуры грунтов оснований. Выполняют комплексную оценку состояния объектов добычи газа по отношению к проектному.

Способ автоматизированных измерений и дистанционной передачи данных для геотехнического мониторинга объектов добычи газа выполняется описанным ниже образом.

Создают цифровую информационную модель объектов добычи газа с использованием специализированных геоинформационных программных продуктов и САПР-платформ, имеющих средства создания и редактирования цифровых карт и планов, обработки данных дистанционного зондирования Земли, выполнения различных измерений и расчетов, построения 3D-моделей, обработки растровых данных, средства подготовки графических документов в цифровом и печатном виде, а также инструментальные средства для работы с базами данных. Цифровую информационную модель создают на основе геотехнических, инженерно-технологических данных об объекте, инженерно-геологических, инженерно-геокриологических данных грунтов оснований объекта, представленных в цифровом объектно-пространственном виде, фотографических материалах.

Выполняют радиолокационную интерферометрическую съемку со спутника в ультракоротковолновой (сверхвысокочастотной) области радиоволн, в Х-диапазоне или С-диапазоне на заданную территорию с последующей интерферометрической обработкой стэков (комплектов) радиолокационных космических снимков (количество снимков в стэке не менее 15 шт. для обеспечения достоверности результатов) методом естественных постоянных отражателей (далее - ЕПО) [Hooper, A., Zebker, Н. A., Segall, P., al, е.А new method for measuring deformation on volcanoes and other natural terrains using InSAR persistent scatterers. Geophysical Research Letters, 31(L23611), 2004; Hooper, A. A multi-temporal InSAR method incorporating both persistent scatterer and small baseline approaches. Geophys. Res. Lett. 2008; Феоктистов А.А., Захаров А.И., Гусев M.A., Денисов П.В. Исследование зависимости результатов обработки радиолокационных данных ДЗЗ от параметров обработки. Часть 4. Основные направления развития метода постоянных рассеивателей; ключевые моменты методов SqueeSAR и StaMPS// Журнал радиоэлектроники [электронный журнал], 2017].

Выявляют пункты контроля БДК (СН) - естественные постоянные отражатели (далее - ЕПО) на объектах добычи газа.

Применение БДК (СН) позволяет оптимизировать количество пунктов контроля БДК (НЛС), БАПК, БМГК.

Осуществляют установку на объектах добычи газа элементов Системы:

- пунктов контроля БДК (НЛС) (станций сканирования, рефлекторных марок),

- пунктов контроля БАПК (датчики контроля кренов, осадок и деформаций объектов и их элементов, датчики температуры грунтов основания),

- пунктов контроля БМГК (реперов маркшейдерской опорной сети и геодезической сети, деформационных марок),

- оборудования (в том числе станции сбора и преобразования данных, каналообразующие средства связи) БДК (НЛС), БАПК, БМГК.

Пункты БДК (НЛС) устанавливают на объектах временно перед выполнением каждого цикла сканирования. Пункты БАПК устанавливают в преимущественно беспроводной комплектации, например, с магнитным креплением и с использованием средств беспроводной дистанционной передачи данных, для обеспечения их мобильности. Пункты БМГК устанавливают на постоянной основе в количестве, достаточном для верификации наблюдений, и сокращают до 70% по сравнению с текущими проектами геотехнического мониторинга.

Расположение, выбор типов и количества элементов Системы осуществляют на основе размеров, геометрии, сложности конструкций объектов добычи газа, прогнозных величин ожидаемых перемещений, деформаций и температуры грунтов оснований, с учетом комплексирования методов аэрокосмического и наземного мониторинга.

Выполняют определение начального пространственного положения установленных пунктов контроля Системы (БДК (СН), БДК (НЛС), БАПК, БМГК).

Полученные данные начального пространственного положения пунктов контроля Системы (БДК (СН), БДК (НЛС), БАПК, БМГК) по каналообразующим средствам связи передают на сервер мониторинга, далее на рабочее место оператора Системы, выгружают в информационную модель объектов добычи газа, выполняют увязку всех пространственных данных в единую систему координат.

Осуществляют проведение нулевого и последующих циклов геотехнического мониторинга. Для этого выполняют нулевой и последующий циклы измерений на пунктах контроля Системы с заданной периодичностью.

Циклы с применением БДК (СН) выполняют с периодичностью не менее 12 раз в каждый бесснежный период. В результате обработки серии (стэков) радиолокационных снимков вычисляют в любом специализированном доступном программном продукте значения перемещений ЕПО по направлению на спутник, среднегодовую скорость перемещений ЕПО на спутник на каждую дату наблюдений, пересчитывают перемещения и скорость перемещений на вертикаль [Ferretti, А., С. Prati, and F. Rocca, «Permanent scatterers in SAR interferometry», IEEE Trans. Geosci. Remote Sens., 39(1), 8-20, 2001]. Осуществляют выгрузку данных радиолокационной интерферометрии в информационную модель объектов добычи газа на нулевом цикле мониторинга и последующих циклах и увязку полученных данных в единую систему координат. Совмещают данные радиолокационной интерферометрии с данными оптической съемки для пространственного анализа.

На каждом цикле наблюдений вычисляют изменение вертикальных перемещений (по оси z) относительно нулевого и предыдущего цикла наблюдений. По заданным пространственным координатам (х, у) в выбранных точках осуществляют верификацию данных БДК (СН) по данным нивелирования по пунктам БМГК.

Выполняют сравнение текущих значений вертикальных перемещений и их скоростей, полученных БДК (СН) с предельными значениями, установленными проектной, нормативной или иной документацией. Выполняют классифицирование территории и объектов по отношению текущих значений на каждом цикле наблюдений к предельным значениям, выполняют выявление объектов с разными классами значений. В случае превышения предельного значения формируется в журнале сообщение о регистрации соответствующего события по результатам каждого цикла наблюдений БДК (СН).

В информационной модели объектов создают на нулевом цикле и корректируют при последующих циклах наблюдений модель перемещений и деформаций территории и объектов добычи газа - по данным БДК (СН) на каждом цикле наблюдений создают карты деформаций в 2D-формате по всему месторождению.

В зависимости от полученного класса значений перемещений по данным БДК (СН) выбирают (корректируют) объекты и места установки пунктов контроля БДК (НЛС), устанавливают (корректируют) периодичность выполнения циклов БДК (НЛС) на объектах. На нулевом цикле геотехнического мониторинга наземное лазерное сканирование выполняют на всех объектах добычи газа. При развитии деформаций, близких к предельным значениям, рекомендованная периодичность сканирования - не менее 1 раза в три года, при развитии деформаций, близких или превышающих предельные значения, рекомендованная периодичность сканирования - не менее 1 раза в год.

С заданной периодичностью на выбранных объектах добычи газа осуществляют наземное лазерное сканирование путем определения координат точек (со скорость до 2 миллионов точек в секунду) посредством измерения лазерным лучом углов и расстояний от сканера до видимых (отражающих) точек поверхности объекта и осуществляют регистрацию соответствующих направлений (вертикальные и горизонтальные углы) с последующим формированием трехмерного изображения (скана) в виде облака точек. Выполняют сравнение в любом доступном специализированном программном продукте точечных моделей объекта, полученных на разных циклах сканирования, с целью выявления перемещений/деформаций грунтовых оснований, фундаментов, конструкций объекта. Полученные данные БДК (НЛС) выгружают в информационную модель объектов добычи газа. Осуществляют увязку полученных данных контроля в единую систему координат с данными БДК (СН).

Выполняют классифицирование полученных значений на каждом цикле БДК (НЛС) по отношению к предельным значениям, установленным нормативной, проектной или иной документацией, выявляют участки фундаментов и конструкций объектов с разными классами значений, детализируют модель перемещений и деформаций объектов добычи газа. В информационной модели объектов создают твердотельную модель объекта и выполняют ее корректировку при изменении геометрии объекта. В зависимости от установленных классов значений деформаций, скоростей деформаций участков фундаментов и конструкций объектов по данным БДК (НЛС) определяют (корректируют) типы, количество и места размещения пунктов контроля БАПК в точках наибольших перемещений/напряжений фундаментов и конструкций объектов. При этом при обнаружении деформаций объекта и его элементов близких или превышающих предельные значения частота сети пунктов контроля БАПК сгущается.

В пунктах контроля БАПК осуществляют регистрацию углов наклона сооружений, перемещений и деформаций в режиме реального времени, непрерывно, регистрацию температуры грунтов основания сооружений с заданной периодичностью, с дистанционной передачей данных. Зарегистрированные значения с датчиков (инклинометров, тензометров, виброметров, устройств для контроля температурного режима грунтов основания сооружений) передаются на вход информационной модели объекта, где вычисляют параметры деформаций (например, относительной неравномерной осадки AS/L=tg (р) фундаментов и конструкций объектов. Осуществляют увязку полученных данных контроля в единую систему координат.

Выполняют сравнение текущих значений перемещений и деформаций и их скоростей, полученных в режиме реального времени «непрерывно» (температуры грунтов с заданной периодичностью, не менее 2 раз в год) при помощи БАПК, с предельными значениями, установленными проектной, нормативной или иной документацией.

Выполняют классифицирование полученных значений по отношению к предельным значениям, установленным нормативной, проектной или иной документацией, выявляют участки фундаментов и конструкций объектов с разными классами значений, осуществляют в режиме реального времени корректировку модели перемещений и деформаций объектов добычи газа в точках наибольших напряжений/перемещений. В случае превышения предельного значения формируется в журнале сообщение о регистрации соответствующего события в режиме реального времени.

В пунктах контроля БМГК, выбранных с учетом работы всей системы мониторинга, проводят циклы геометрического нивелирования по деформационным маркам для верификации данных спутниковых и автоматизированных наземных методов контроля с точностью, характеризующейся средней квадратической погрешностью в соответствии с ГОСТ 24846, периодичностью не менее 2 раз в год, осуществляют выгрузку данных в информационную модель объектов добычи газа и увязку полученных данных в единую систему координат, вычисляют вертикальные перемещения и деформации (относительную неравномерную осадку) фундаментов, конструкций объектов и их скорости в пунктах контроля БМГК, выполняют верификацию модели перемещений и деформаций.

В информационной модели объектов создают на нулевом цикле и корректируют при последующих циклах наблюдений модель перемещений и деформаций территории и объектов добычи газа. Создают карты деформаций на уровне месторождения по данным БДК (СН), уточняют их и создают 3D-модели объектов и деформаций по данным БДК (НЛС), а в режиме реального времени в точках наибольших напряжений/деформаций выполняют оперативную оценку изменений геометрии расположения и деформаций конструкций объекта, детализируют модель перемещений и деформаций объектов добычи газа по данным БАПК. По данным БАПК (термометрия) выявляют обеспечение твердомерзлого состояния грунтов основания в зоне воздействия объекта по установленному предельному значению температуры грунтов - определяют температуру начала деформаций оснований по данным построенных кросс-плотов деформации/температура.

Результаты разновременных и разнопериодных наблюдений сравнивают на основе анализа трендов (скоростей изменения) получаемых параметров, измеренных разными методами. Расчет параметров трендов осуществляют в единой временной шкале, что позволяет выполнять единые ретроспективные оценки изменения параметров и прогноз с различной степенью достоверности результатов (чем больше временной ряд данных, тем достоверность выше), при этом нулевой точкой отсчета принимается дата, когда был выполнен «нулевой» цикл наблюдений.

Выполняют автоматизированную оценку состояния по каждому параметру и в целом для объекта, выполняют оценку работоспособности объекта по результатам геотехнического мониторинга (по критериям СП 22.13330.2016).

Заявляемое изобретение проиллюстрировано фигурами 1-5.

Фиг. 1 иллюстрирует данные по вертикальным перемещениям объектов добычи газа, полученные в результате применения спутниковой радиолокационной интерферометрии.

Фиг. 2 - Участки с различной скоростью вертикальных перемещений (Vs) объектов обустройства кустовой площадки, выделенные по данным спутниковой радиолокации и верифицированные по данным нивелирования.

Фиг. 3 - Фрагмент твердотельной 3D-модели объекта добычи газа, созданной по данным наземного лазерного сканирования.

Фиг. 4 - Трехмерная модель деформаций, полученная по результатам двух циклов наземного лазерного сканирования кустовой площадки (на примере ГС) с отображаемой информацией в режиме реального времени блока параметрического контроля.

Фиг. 5 - Относительная неравномерная осадка фундамента трубопроводной обвязки газовых скважин по данным инклинометров.

Пример осуществления способа

Способ предлагается для реализации в условиях эксплуатации на объектах добычи газа (например, кустовая площадка газовых скважин) Бованенковского месторождения.

Используют данные:

- БДК (СН), обработанная методом радиолокационной интерферометрии серия снимков не менее 15 шт., по выявленным на объекте ЕПО в количестве 80 шт (средняя плотность ЕПО 5800 шт/1 кв. км);

- БДК (НЛС), двух циклов наземного лазерного сканирования в начальный период установки Системы и через год, количество сцен сканирования - 60 шт.

- БАПК, непрерывного параметрического контроля, полученные в течение годового цикла, по 26 устройствам передачи данных с интегрированным инклинометром, расположенных на ростверках фундаментов трубопроводных обвязок газовых скважин и 6 устройствам передачи данных с интегрированным инклинометром и тензометром, расположенных на трубопроводных обвязках двух газовых скважин в центральной части кустовой площадки;

- БМГК, нивелирования по 138 деформационным маркам для верификации данных (количество измерений сокращено на 70% от объемов измерений по текущим проектам).

С использованием специализированных программных продуктов (ГИС «Панорама», nanoCAD), имеющих средства создания и редактирования цифровых карт и планов, обработки данных дистанционного зондирования Земли, выполнения различных измерений и расчетов, построения 3D-моделей, обработки растровых данных, средства подготовки графических документов в цифровом и печатном виде, а также инструментальные средства для работы с базами данных на сервере мониторинга была создана информационная модель объектов добычи газа на основе собранных и представленных в цифровом объектно-пространственном виде геотехнических, инженерно-технологических данных об объекте, инженерно-геологических, инженерно-геокриологических данных грунтов оснований объекта, фотографических материалах.

Был выполнен подбор стэков спутниковых радиолокационных снимков, выполненных в ультракоротковолновой (сверхвысокочастотной) области радиоволн, в Х-диапазоне с длинами волн от 2,4 до 3,75 см или С-диапазоне с длинами волн от 3,75 до 7,5 см на заданную территорию наблюдений, сделанных на разные даты в одинаковой геометрии съемок, полученных РСА с двух близких, локально параллельных орбит, на территорию Бованенковского НГКМ. Разрешение снимков не менее 14×4 м.

Выполнена интерферометрическая обработка подобранных стэков спутниковых радиолокационных снимков методом естественных постоянных отражателей PSInSAR (permanent/persistent scatterer interferometry) в специализированных программных продуктах.

Были выполнены основные этапы обработки спутниковых радиолокационных снимков методом постоянных отражателей перечислены ниже:

1) корегистрация,

2) расчет интерферограмм, построение карты когерентности и устранение топофазы,

3) выбор точек, являющихся постоянными отражателями,

4) фильтрация (устранение фазового шума),

5) оценка топографической составляющей,

6) селекция постоянных отражателей,

7) развертка фазы,

8) пересчет фазовых значений в значения смещений в метрах. Результаты обработки серий радиолокационных данных методом постоянных отражателей, как правило, представляют собой набор точек, которые представляют собой ЕПО - элементы объектов инфраструктуры без дополнительных специальных отражающих средств, сохраняющие отражающие характеристики на всем периоде съемок.

ЕПО сконцентрированы на месторождении на металлоемкой инфраструктуре (площадные объекты - УКПГ и технологические комплексы, ЛЭП, трубопроводы, кустовые площадки).

Было определено алгоритмом пространственное положение ЕПО.

Были проведены измерения с помощью алгоритма перемещений/деформаций поверхности Земли и объектов за период времени между съемками Т1 и Т2, используя информацию о длине радиолокационной волны и смещениях фазы регистрируемого спутником сигнала, произошедшей за промежуток времени Т2-Т1 и определены скорости вертикальных перемещений ЕПО.

Были созданы 2D-модели деформаций на основе спутниковых данных, выявлены объекты добычи газа с зафиксированными скоростями вертикальных перемещений близких или превышающих предельные значения (Фиг. 1).

По результатам выполненного анализа БДК (СН) были зафиксированы вертикальные перемещения, в том числе на кустовой площадке газовых скважин, для которой были выделены участки с различными перемещениями (Фиг. 2).

На кустовой площадке по данным БДК (СН) были выделены 2 участка с различными скоростями вертикальных перемещений (деформаций) оснований, фундаментов объектов (Фиг. 2).

- участок 1, относительно стабильный, преобладает пучение (тренд вертикальных перемещений положительный), скорость вертикальных перемещений Vs≤15 мм/год;

- участок 2 - преобладает осадка (тренд отрицательный), скорость вертикальных перемещений Vs≥15 мм/год.

Данные БДК (СН) были верифицированы по данным БМГК (нивелирования), выполняющегося на объекте с 2013 года, по которым так же выделяются данные участки (Фиг. 2).

Для участка 2 относительная неравномерная осадка поверхности ΔS/L (мм/м), в зоне подработки, выявленная по данным БДК (СН) составляет 3,4 (мм/м), находится вблизи установленного нормативной документацией СП 21.13330.2012 предельного значения (3 мм/м). Таким образом, на участке 2 согласно СП 21.13330.2012 следует обратить внимание на устойчивость фундаментов сооружений.

На кустовой площадке газовых скважин, с зафиксированными вертикальными перемещениями, были установлены пункты контроля БДК (НЛС) и БАПК, с учетом данных БДК (СН).

При этом на кусте газовых скважин были установлены два типа датчиков БАПК:

- устройства сбора и передачи данных с интегрированным инклинометром (26 шт.) предназначены для контроля за изменением углов наклона ростверков (на базе двутавров) фундаментов трубопроводных обвязок,

- устройства сбора и передачи данных с интегрированными инклинометром и тензометром (6 шт.) предназначены для контроля за деформацией трубопроводной обвязки в зоне между креплением к фонтанной арматуре и опорой на ростверк,

Измерительные пункты параметрического контроля размещены по линии батареи газовых скважин, где зафиксированы осадки из-за оттаивания многолетнемерзлых пород в околоскважинной зоне, в точках наибольших напряжений/деформаций на трубопроводных обвязках и их фундаментах.

На ростверках ГС в центральной части куста газовых скважин, которая испытывает наибольшие осадки из-за оттаивания ММП, сеть датчиков сгущена. На трубопроводных обвязках этих двух скважин размещены устройства передачи данных с интегрированными инклинометрами и тензометрами в точках наибольших потенциальных напряжений/деформаций для выявления отклонений по двум осям х, у и напряженно-деформированного состояния трубопроводных обвязок.

Устройства передачи данных с интегрированными инклинометрами размещены так же на противоположных краях площадок (на отметках 7 и 14 м) антенной опоры (высотой 14 м, фундамент из 4 свай) для контроля ее крена (относится к типу высотных объектов, которые испытывают осложнения, связанные с ветровой нагрузкой и динамикой многолетнемерзлых пород).

Установка датчиков выполнена в беспроводной комплектации, например, с магнитным креплением и с использованием средств беспроводной дистанционной передачи данных, для обеспечения мобильности пунктов параметрического контроля.

На кустовой площадке размещены базовая станция сбора данных LPWAN (LoRaWAN) и антенна передачи данных по каналу GSM на сервер мониторинга, шкаф сбора данных (ШСД).

На кустовой площадке размещены временные рефлекторные марки БДК (НЛС), согласно разработанной схеме станций сканирования с учетом геометрии и размеров объекта.

Пункты маркшейдерской опорной сети и геодезической сети (грунтовые реперы и деформационные марки) были использованы существующие на кустовой площадке. При этом для верификации данных блоков Системы (БДК (СН), БДК (НЛС), БАПК) количество наблюдений по деформационным маркам на кустовой площадке было сокращено на 70% по сравнению с текущими проектами геотехнического мониторинга.

Было выполнено определение начального пространственного положения установленных на кустовой площадке элементов Системы.

Полученные данные начального пространственного положения пунктов контроля Системы по каналообразующим средствам связи были переданы на сервер мониторинга и далее на рабочее место оператора Системы, выгружены в информационную модель объекта, выполнена увязка всех пространственных данных в единую систему координат (с геодезической сетью Бованенковского месторождения).

Был выполнен нулевой и последующий циклы геотехнического мониторинга.

Поскольку на объекте обнаружены деформации, сканирование при помощи БДК (НЛС) было выполнено с периодичностью 1 раз в год.

Наземным лазерным сканированием получены облака точек в трехмерном формате, с координатами х, у, z. Результаты наземного лазерного сканирования выгружены в информационную модель объекта и увязаны в единую систему координат.

На основе полученных данных создана 3D-модель объектов (фиг. 3), 3D-модель перемещений/деформаций оснований, фундаментов и конструкций объектов кустовой площадки (фиг. 4). На карте деформаций цветом отражены деформации объектов по 3D вектору.

Для каждой контрольной точки были получены текущие значения пространственного положения по осям x, y, z. По разнице текущих значений и значений нулевого цикла сканирования были рассчитаны отклонения по всем направлениям осей и рассчитывается 3D-вектор.

Для верификации наблюдений деформационные марки на фундаментах трубопроводных обвязок были сопоставлены по координатам х, у с контрольными точками наземного лазерного сканирования. Были рассчитаны перемещения по оси Z и относительная неравномерная осадка фундаментов трубопроводных осадок (ΔS/L, мм/м), и среднегодовые скорости изменения этих параметров по данным нивелирования и данным наземного лазерного сканирования (фиг. 17), получена высокая сходимость данных.

По данным БДК (НЛС) было уточнено положение пунктов контроля БАПК.

Вдоль основной линии прогнозируемых деформаций, в точках наибольших напряжений/деформаций на трубопроводных обвязках и их фундаментах в режиме реального времени в течение года на сервер мониторинга поступали данные БАПК: угол наклона (инклинометры) ϕ, град; напряжение (тензометры) мВ/В (Фиг. 4, Фиг. 5). Из специализированного программного продукта (например, в функции «Просмотр трендов», реализованной в программном обеспечении ZETLAB) данные выгружаются в информационную модель объекта с интервалом 30 мин.

Выполнялась обработка данных, в том числе генерализация данных усреднением по 1000 точкам (примерно 1 значение за 21 день) уменьшением влияния суточного дрейфа, который связан с температурой.

Деформации фундаментов трубопроводных обвязок анализировались по вертикальным перемещениям (по оси Z) вдоль оси Y, которая расположена вдоль ростверка. На фиг. 5 приведен пример графика изменения полученных деформаций во времени. За период наблюдений деформации фундаментов трубопроводных обвязок (ΔS/L) не превышали установленного нормативными документами предельного значения (2 мм/м).

Выполнены сравнение значений параметров, полученных при комплексировании блоков Системы, с предельными значениями, установленными проектной, нормативной, или иной документацией.

Выполнено в автоматизированном режиме классифицирование (то есть присвоение класса и отражение его на 2D- или 3D-модели заданным цветом) значениям полученных параметров по отношению к предельным значениям, следующим образом:

а) «ниже предельного» (назначается зеленый цвет);

б) «ниже предельного, внимание!» (назначается желтый цвет);

в) «выше предельного» (назначается красный цвет). При этом:

- «ниже предельного» - назначается класс параметра при значении, составляющем менее 2/3 от предельного значения;

- «ниже предельного, внимание!» - назначается класс параметра при значении, составляющем более 2/3 от предельного значения;

- «выше предельного» - назначается класс параметра при значении, большем или равном предельному значению.

Построены карты температуры многолетнемерзлых пород по данным термометрических датчиков в наблюдательных термометрических скважинах. Выполнен комплексный анализ данных по деформациям оснований, фундаментов, конструкций объектов и температуре многолетнемерзлых пород основания кустовой площадки на основе всех методов контроля от площадного определения деформаций поверхности и объектов с помощью БДК (СН) до создания трехмерных моделей деформаций сего объекта с заданной периодичностью и точечного непрерывного контроля в режиме реального времени в точках наибольших напряжений/деформаций фундаментов и конструкций.

При комплексировании методов для сравнения результатов разновременных и разнопериодных данных выполнялся анализ трендов (скоростей изменения) получаемых параметров, измеренных разными методами; расчет параметров трендов осуществляют в единой временной шкале, что позволяет выполнять единые ретроспективные оценки изменения параметров и прогноз с различной степенью достоверности результатов (чем больше временной ряд данных, тем достоверность выше), при этом нулевой точкой отсчета принимается дата, когда был выполнен «нулевой» цикл наблюдений. На основе анализа трендов выполнялся прогноз изменений параметров на заданный период.

В результате в информационной модели выполнен комплексный, автоматизированный с дистанционной передачей данных, маркшейдерско-геодезический и параметрический контроль состояния и устойчивости объектов производственной инфраструктуры в условиях Крайнего Севера и автоматизированная оценка состояния по каждому параметру и в целом для объекта по критериям СП 22.13330.2016.

Использование: изобретение относится к области геотехнического мониторинга объектов добычи газа на основе применения комплекса наземных и аэрокосмических наблюдений, автоматизации измерений и дистанционной передачи данных и может быть использовано при организации и проведении геотехнического мониторинга на месторождениях газа. Сущность: в способе автоматизированных измерений и дистанционной передачи данных для геотехнического мониторинга объектов добычи газа осуществляют радиолокационную съемку со спутника с интерферометрической обработкой данных методом естественных постоянных отражателей, с помощью оптической съемки со спутника выполняется пространственное совмещение пунктов наблюдений (естественных постоянных отражателей); определяют координаты точек (со скорость до 2 миллионов точек в секунду) посредством измерения лазерным лучом углов и расстояний от сканера до видимых (отражающих) точек поверхности объекта и осуществляют регистрацию соответствующих направлений (вертикальные и горизонтальные углы) с последующим формированием трехмерного изображения (скана) в виде облака точек; осуществляют регистрацию углов наклона и деформаций поверхности конструкций; осуществляют геометрическое нивелирование по деформационным маркам; осуществляют комплексирование данных в информационной модели объекта, в которую осуществляется выгрузка всех данных контроля в форматах, соответствующих требованиям, а также выгрузка данных об объекте; выполняют построение кривых перемещений/деформаций (других параметров) во времени по данным, полученным за период наблюдений; выполняют пространственное совмещение пунктов контроля разных блоков мониторинга с помощью метода «ближайший сосед» в геоинформационном программном обеспечении согласно заданным правилам буферизации объекта; пространственный анализ данных как по отдельным блокам контроля, так и совмещенным, выполняют методами: классифицирования значений через заданные интервалы и поверхностной интерполяции: созданием изолиний из точечных данных, построением поверхности распределения скоростей вертикальных перемещений на объекте; создают кросс-плоты зависимостей данных, полученных в БДК (СН), БДК (НЛС) или БАНК, и данных, полученных в БМГ: параметра а от параметра b по полученным атрибутивным данным стандартными инструментами Microsoft Excel или с помощью диаграммы рассеяния в геоинформационном программном обеспечении; оценку точности наблюдений методами БДК (СН), БДК (НЛС), БАПК выполняют сравнением статистических показателей, полученных данными методами в ходе испытаний в условиях эксплуатации и классическим методом - БМГК. Технический результат: повышение эффективности проведения геотехнического мониторинга на месторождениях газа за счет сокращения трудоемких классических наблюдений в ручном режиме (нивелирование) и оптимизации геотехнического мониторинга путем комплексирования наземных и аэрокосмических методов контроля с применением системы автоматизации измерений и дистанционной передачи данных. 5 ил.

Способ автоматизированных измерений и дистанционной передачи данных для геотехнического мониторинга объектов добычи газа, в котором:

- создают информационную модель объектов добычи газа с использованием специализированных геоинформационных программных продуктов и САПР-платформ, имеющих средства создания и редактирования цифровых карт и планов, обработки данных дистанционного зондирования Земли, выполнения различных измерений и расчетов, построения 3D-моделей, обработки растровых данных, средства подготовки графических документов в цифровом и печатном виде, а также инструментальные средства для работы с базами данных, на основе собранных и представленных в цифровом объектно-пространственном виде геотехнических, инженерно-технологических данных об объекте, инженерно-геологических, инженерно-геокриологических данных грунтов оснований объекта, фотографических материалов объектов добычи газа (далее - исходные данные);

- выполняют установку на объектах добычи газа элементов Системы автоматизации измерений и дистанционной передачи данных (далее - Система), включая пункты контроля блока дистанционного контроля - спутниковые наблюдения (далее - БДК (СН)), блока дистанционного контроля - наземное лазерное сканирование объектов (далее - БДК (НЛС)), блока автоматизированного параметрического контроля (далее - БАНК), блока маркшейдерско-геодезического контроля классическими методами (нивелирование) (далее - БМГК);

- осуществляют радиолокационную съемку со спутника на заданную территорию с последующей интерферометрической обработкой стэков или комплектов радиолокационных космических снимков и выявляют пункты контроля БДК (СН) - естественные постоянные отражатели (далее - ЕПО) на объектах добычи газа;

- выполняют определение начального пространственного положения установленных на объектах добычи газа пунктов контроля БДК (СН);

- передают полученные данные начального пространственного положения пунктов контроля Системы по каналообразующим средствам связи на сервер мониторинга и далее на рабочее место оператора Системы, выгружают их в информационную модель объектов добычи газа, выполняют увязку всех пространственных данных в единую систему координат;

- выполняют нулевой и последующий циклы измерений на пунктах контроля Системы с заданной периодичностью и обработку данных геотехнического мониторинга следующим образом:

выполняют с применением БДК (СН) дистанционное пространственное определение вертикальных перемещений и скорости вертикальных перемещений земной поверхности и объектов добычи газа с периодичностью не менее 12 раз в каждый бесснежный период,

выполняют в информационной модели объекта добычи газа классифицирование территории и объектов по отношению текущих значений вертикальных перемещений и скорости вертикальных перемещений, полученных БДК (СН), к их предельным значениям, установленным нормативной, проектной или иной документацией, выполняют выявление объектов с разными классами значений, создают или корректируют модель перемещений и деформаций территории и объектов добычи газа,

выбирают в зависимости от полученного в БДК (СН) класса значений объекты, устанавливают периодичность и выполняют с применением БДК (НЛС) высокоточное автоматизированное определение пространственного положения в трехмерном формате (координаты х, у, z) и, далее, по осям х, у, z измеряют перемещения и деформации, скорость перемещений и деформаций фундаментов и конструкций объектов добычи газа,

в информационной модели объектов выполняют классифицирование полученных БДК (НЛС) значений по отношению к предельным значениям, установленным нормативной, проектной или иной документацией, выявляют участки фундаментов и конструкций объектов с разными классами значений, создают трехмерные модели объектов и деформаций объектов, детализируют модель перемещений и деформаций объектов добычи газа,

в зависимости от полученных в БДК (СН) и БДК (НЛС) значений деформаций, скоростей деформаций участков фундаментов и конструкций объектов определяют/корректируют количество и места размещения пунктов автоматизированного параметрического контроля - датчиков с дистанционной передачей данных, выполняют непрерывный автоматизированный параметрический контроль углов наклона и деформаций с дистанционной передачей данных в режиме реального времени в информационную модель объектов, детализируют модель перемещений и деформаций объектов добычи газа по данным непрерывного контроля,

в контрольных пунктах наблюдений, выбранных с учетом работы Системы, с применением БМГК классическим методом наблюдений выполняют нивелирование по деформационным маркам и выполняют верификацию модели перемещений и деформаций,

выполняют автоматизированный контроль температурного режима грунтов с периодичностью не менее 12 раз в каждый бесснежный период и сопоставляют результаты контроля температуры с результатами модели перемещений и деформаций в информационной модели объектов,

- выполняют построение комплексных двухмерных и трехмерных моделей перемещений, деформаций и их скоростей, температуры грунтов оснований путем построения кривых перемещений, деформаций и их скоростей, температуры грунтов оснований во времени по данным, полученным за период наблюдений;

- выполняют комплексную оценку состояния объектов добычи газа сравнением статистических показателей, полученных с использованием методов контроля БДК (СН), БДК (НЛС), БАПК и классическим методом БМГК.