В.Е. Гершензон, А.А. Кучейко Космические радиолокационные изображения в информационном обеспечении нефтегазовой отрасли
В.Е. Гершензон (ИТЦ «СканЭкс»)
В 1980 г. окончил МФТИ по специальности «радиофизика». Кандидат физико-математических наук. Генеральный директор ИТЦ «СканЭкс». Область интересов технологии доступа и обработки данных ДЗЗ. Лауреат премии Правительства РФ в области науки и техники.
А.А. Кучейко (ИТЦ «СканЭкс»)
В 1982 г. окончил ВИКИ им. А.Ф. Можайского по специальности «радиоэлектроника». Эксперт ИТЦ «СканЭкс». Кандидат технических наук. Область интересов космические системы ДЗЗ.
Состояние рынка коммерческих радиолокационных данных
В настоящее время в мире эксплуатируется только три космических аппарата (КА) гражданского* назначения с радиолокаторами высокого разрешения: канадский RADARSAT-1 (RADARSAT International RSI) и спутники Европейского космического агентства (Europe Space Agency ESA) ENVISAT-1 и ERS-2, которые применяются в научных и коммерческих целях (табл. 1). КА оснащены многофункциональными радиолокаторами с синтезированием апертуры (РСА), однако радиолокатор спутника RADARSAT-1 обладает самым высоким пространственным разрешением и большей производительностью. Кроме того, европейские спутники изначально были ориентированы на научно-исследовательские программы, а не на коммерческое применение. По указанным причинам, несмотря на меньшую стоимость европейской космической информации, канадский спутник сегодня остается безусловным лидером на рынке радиолокационных данных. Радиолокационные изображения RADARSAT используют более 600 клиентов в 60 странах мира, для распространения данных создана международная сеть из 28 станций прямого приема.
Рис. 1. Радиолокационное изображение района нефтедобычи «Нефтяные Камни» (Азербайджан) у Апшеронского полуострова в Каспийском море. Отчетливо видны эстакады и вышки, а также пленочные загрязнения на поверхности воды. Снимок КА RADARSAT-1 принят станцией MARC в Москве 9 декабря 2004 г., режим съемки стандартный, разрешение 25 м
Рис. 2. Увеличенный фрагмент изображения района нефтепромысла «Нефтяные Камни»
В отличие от оптических камер радиолокатор позволяет вести съемку независимо от метеоусловий и времени суток (рис. 1, 2). Среди операторов коммерческих систем дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) программа RADARSAT остается самой оперативной: заявка на выполнение экстренной съемки может быть подана не менее чем за 29 ч до ее начала, обработанные снимки могут быть переданы заказчику примерно через 1 2 ч после съемки. Высокая оперативность и гарантированность выполнения заказа вывели программу RADARSAT в число основных средств международной Хартии «Космос и Бедствия» (Space and Major Disasters), в рамках которой осуществляется экстренная съемка районов чрезвычайных ситуаций для принятия управленческих решений.
Учитывая растущий спрос на радиолокационную информацию, в 2005 2006 гг. будут выведены на орбиту по меньшей мере еще три гражданских спутника с РСА высокого разрешения: ALOS (Япония), RADARSAT-2 (Канада) и TerraSAR-X (Германия). О планах создания аналогичных аппаратов объявили Китай, Индия, Италия и Великобритания.
Канада стремится сохранить лидерство на рынке радиолокационных данных с помощью нового спутника RADARSAT-2. Предполагается, что клиенты смогут заказывать изображения в экстренном случае за 4 12 ч до съемки и получать результаты в режиме реального времени. Аналогичные возможности будут у германского спутника (6 ч), но из-за разных частотных диапазонов РСА новые спутники будут ориентированы на решение разных целевых задач (табл. 2).
Характерно, что в США нет, и в ближайшие годы не будет спутников с РСА гражданского назначения. Причина тривиальна по межведомственному соглашению космических агентств Канады и США американцы используют 18% ресурса RADARSAT-1 в обмен на услуги по запуску спутника.
К сожалению, российские спутники с РСА высокого разрешения на орбите отсутствуют с 1991 г. после прекращения работы КА «Алмаз-1». Российско-украинские спутники серии «Океан», запускаемые в настоящее время под индексом «Сич», имеют ограниченные возможности из-за низкого разрешения бортовой радиолокационной съемки бокового обзора (1 2 км). Очередной аппарат «Сич-1М» выведен на нерасчетную орбиту в конце 2004 г. Недавно компания «ГазКом» объявила о планах создания перспективной системы «Стрелка» для космического мониторинга объектов нефтегазовой отрасли. В состав системы стоимостью 400 млн дол. войдут шесть спутников (три с оптической аппаратурой и три с РСА), однако запуск первых аппаратов может начаться не ранее 2007 г.
Таблица 1. Характеристики спутников гражданского назначения с РСА
КА (оператор)
Дата запуска
Число режимов РСА/поляризация
Разрешающая способность, м
Полосоа захвата, км
Характер использования
RADARSAT-1
(RSI)
4 ноября 1995г.
8/HH
8-100
50-500
Оперативный
ERS-2
(ESA)
21 апреля 1995г.
3/VV
25-30
100
Ограниченное использование
ENVISAT-1
(ESA)
1 марта 2002г.
5/VV, HH, HH/HV, VV/VH
30-150
100-405
Оперативный
Информация космических радиолокаторов в
нефтегазовой отрасли
Радиолокационная космическая информация используется в океанографии, ледовой разведке, гидрологии, картографии, геологии, сельском и лесном хозяйстве и в других областях. При решении задач топливно-энергетического комплекса (ТЭК) данные РСА находят применение на всех этапах разработки и эксплуатации месторождений (табл. 3).
Задачи оперативного спутникового мониторинга решаются при регулярной съемке контролируемых районов с заданной периодичностью, выходные продукты являются результатом совместной обработки радиолокационных изображений и данных других измерительных средств и тематических ГИС.
Таблица 2. Характеристики спутников гражданского назначения с РСА, которые планируется запустить в 2004-2006 гг.
КА (оператор)
Год запуска
Частота РСА, ГГц (обозначение диапазона)
Разрешающая способность, м
Полосоа захвата, км
Основное назначение РСА
RADARSAT-2
2006
5,4(C)
3-100
25-500
Океанография, ледовая обстановка, морская навигация, чрезвычайные ситуации
ALOS
(агенство JAXA, Япония)
2005-2006
1,27(L)
10-100
20-350
Геология, картография, экология, чрезвычайные ситуации
TerraSAR-X
(Infoterra GmbH, агенство DLR, Германия)
2006
9,6(X)
1-16
10-100
Картографирование, сельское хозяйство, чрезвычайные ситуации
В настоящее время в нефтегазовой отрасли востребованными являются задачи оперативного мониторинга разливов нефти, уточнения районов перспективных месторождений углеводородов и ледовой разведки. При решении этих задач используются обнаружительные возможности РСА при наблюдении за нефтяными пятнами, морскими судами и ледовой обстановкой. Службы оперативного информирования о разливах нефти созданы в Норвегии, Бразилии, Канаде и США.
В Норвегии для оперативного мониторинга разливов нефти в районах добычи и морского судоходства создана служба мониторинга загрязнений. Оператором службы является компания KSAT с приемным центром в Тромсё, пользователем государственные и коммерческие структуры. Норвегия считается мировым лидером по объему экспорта сырой нефти и имеет береговую зону большой протяженности, уязвимую для нефтяных загрязнений. Мониторинг осуществляется с помощью спутников RADARSAT, ENVISAT и самолетов с бортовыми радиолокаторами, которые используются для детальной разведки нефтяных пятен, обнаруженных со спутников. Такое совмещение авиационных и космических средств позволяет снизить стоимость мониторинга территории 1 км2 с 0,1 до 0,07 евро.
Обнаружение нефтяных пятен на воде с помощью РСА по-прежнему остается вероятностным процессом, зависящим от скорости ветра, угла обзора радиолокатора и толщины пленки. Однако разработанные методики позволяют повысить вероятность обнаружения пятен и распознавания их природы (нефтяные пятна естественного происхождения, сбросы нефти, бытовые и промышленные стоки, поверхностно-активные пленки и др.). Для обнаружения пятен оптимальной считается скорость ветра 3 10 м/с. Технология мониторинга включает процедуры автоматического обнаружения нефтяных пятен, проведения их классификации и прогнозирования развития ситуации с учетом метеообстановки в регионе. При анализе потенциальных источников загрязнения анализируются данные, получаемые в результате обработки радиолокационных изображений КА RADARSAT (координаты, курс и скорость движения морских судов). Информация об обнаруженных нефтяных пятнах совмещается с данными о движении морских судов в контролируемом регионе (проект по обработке RADARSAT долгое время находился под контролем норвежских военных структур). Опробованные технологии позволяют оперативно обнаруживать разливы нефти и информировать заказчиков для принятия управленческих решений.
Таблица 3. Этапы применения данных космической радиолокационной съемки
Этап
Основные задачи
Поисково-оценочные, геологоразведочные работы
Прогнозная оценка территорий по интенсивности проявлений природных углеводородов на поверхности воды, выявление потенциально нефтегазоносных структур. Оценка геодинамической активности тектонических структур и разломов (InSAR)
Обустройство
Разработка карт и 3D-моделей районов добычи и транспортировки. Оценка положения трубопроводов на грунте (InSAR)
Добыча
Оперативный контроль чрезвычайных ситуаций, поиск и обнаружение разливов нефти, обводнение (осушение) районов месторождений и транспортировки. Оценка и контроль динамики проседания грунтов на территории месторождений и трассах продуктопроводов (InSAR)
Морская добыча
Ледовая разведка (оценка параметров и направления дрейфа льдов), контроль положения плавучих средств и судов. Оперативный контроль чрезвычайных ситуаций в районах добычи, обнаружение разливов нефти на воде
Транспортировка
Ледовая разведка для безопасной и эффективной проводки судов. Оперативный контроль чрезвычайных ситуаций на трассах
С мая 2004 г. KSAT заключила контракт со Службой береговой охраны Швеции на оказание услуг по мониторингу нефтяных загрязнений в Балтийском море и Датских проливах. В течение часа после съемки районов заказчику будут предоставляться координаты и размер нефтяных пятен. Учитывая большое значение космической информации для природоохранных, нефтегазовых и оборонных структур, правительство Норвегии инвестировало 11 млн дол. в программу RADARSAT-2 с условием приоритетного доступа к данным.
В Бразилии крупнейшим потребителем данных КА RADARSAT является нефтегазовая государственная компания PETROBRAS (14-е место в мире по объему добычи нефти). Компания активно разрабатывает месторождения на глубоком и сверхглубоком шельфе Атлантического океана в нефтегазовых бассейнах Сантус, Эшпириту Санту и Кампус (более 100 морских буровых платформ). Информация по нефтяным пятнам применяется для мониторинга районов добычи и транспортировки нефти, а также для поиска перспективных месторождений на шельфе (по районам проявлений нефти на морскую поверхность). В случае аварийных разливов или утечек нефти PETROBRAS заказывает всепогодную радиолокационную съемку района аварии. После получения радиолокационных изображений (время от окончания съемки до предоставления изображений для анализа занимает менее часа) специалисты определяют площадь пятна и направление его дрейфа. В дальнейшем на основе гидрометеорологических моделей прогнозируется дрейф нефтяного пятна и разрабатывается план действия аварийных команд.
Понимание важности спутникового мониторинга появилось в Бразилии не сразу. В прошлом компания неоднократно становилась виновником крупных катастроф и аварий, которые привели к гибели людей, потере морской платформы (2001) и загрязнению окружающей среды (крупнейшая в Бразилии авария в бухте Гуанабара в 2000 г., рис. 3). Компания вынуждена была заняться экологическим мониторингом в результате ужесточения национального природоохранного законодательства (сумма выплаченных штрафов превысила 25 млн дол.). Необходимо отметить, что радиолокационные снимки RADARSAT-1 параллельно использовали природоохранные государственные службы, оборонные структуры и другие ведомства Бразилии.
Информация о районах просачивания нефти из донных резервуаров углеводородов используется для прогнозирования с выделением контуров потенциально нефтегазоносных структур (рис. 4). Предварительный анализ естественных выходов углеводородов на поверхность позволяет сократить расходы на дальнейшие дорогостоящие операции сейсмической разведки и бурения.
В мае 2005 г. компания PETROBRAS продлила на год срок действия многолетнего контракта с RSI на радиолокационный спутниковый мониторинг районов добычи нефти (сумма годового контракта составила 570 тыс. дол.).
Рис. 3. Радиолокационный снимок аварийного разлива нефти в бухте Гуанабара (район Рио-де-Жанейро) в январе 2000 г. В воду попало 1,3 млн л нефти, площадь нефтяного пятна составила 40 км2. Снимок КА RADARSAT-1 получен через 12 ч после аварии
В Великобритании компания по обработке космической пространственной информации Infoterra Ltd. более двух лет работает над составлением глобального каталога снимков районов шельфа с естественными выходами нефти (проект получил наименование Global Oil Seeps Program GOSP). В каталог вошли 3000 снимков КА RADARSAT-1, охвативших шельфовую зону всех континентов, в том числе омывающие Россию акватории Черного, Каспийского, Охотского и Карского морей. Каталог GOSP оказался востребованным у компаний, ведущих разведку нефти на шельфе. В ноябре 2004 г. американская компания HyperDynamics объявила о планах исследования перспективного района у побережья Гвинеи (Западная Африка) площадью 6 млн акров с помощью новых технологий, основанных на пополняемом каталоге радиолокационных изображений шельфа, методов сейсмического картирования и бурения.
Радиолокационная информация незаменима при решении задач ледовой разведки в полярных районах, для чего, собственно, изначально и планировалось использовать спутник RADARSAT-1. Основные задачи ледовой разведки обеспечение морской навигации, разработки недр, экологический мониторинг и развитие территорий. В настоящее время ледовые службы существуют в 19 странах мира. В последние годы активизировалась деятельность ледовых служб даже в странах, не входящих в Арктический пояс: в Китае, Японии (по акватории Охотского моря), Германии и др. Интерес к ледовой разведке связан с начавшейся разработкой месторождений на шельфе и развитием судоходства в Арктике. По прогнозам международной рабочей группы по ледовой разведке IICWG, из-за потепления климата и уменьшения площади ледовых полей через пять лет Северный морской путь будет открыт даже для судов неусиленного ледового типа на протяжении двух летних месяцев. Страны, имеющие жизненно важные интересы в Арктике, в качестве основного источника данных ледовой разведки используют спутниковые радиолокационные изображения. Сегодня оперативный прием данных КА RADARSAT-1 на регулярной основе ведут ледовые службы Канады, Норвегии, США (для Аляски), Дании (для Гренландии), Швеции и с 2004 г. Финляндии.
Рис. 4. Изображения КА RADARSAT-1 районов естественного просачивания нефти из донных резервуаров на морскую поверхность в Мексиканском заливе (по данным компании RSI)
Как показывает опыт ледовой службы Канады, спутник обеспечивает съемку значительно большей площади, чем самолеты, и делает это с меньшими затратами (примерно за 1/3 стоимости использования авиасредств). После ввода в строй RADARSAT-1 за счет сокращения полетов самолетов ежегодные расходы ледовой службы снизились на 6 млн дол., зона охвата увеличилась в 15 раз.
В России задачи ледовой разведки решает ледовый центр Арктического и антарктического НИИ (Санкт-Петербург), который использует информацию КА RADARSAT для выполнения отдельных заказов.
Опробована технология оперативной съемки районов аварий и экологических бедствий. Благодаря большой вероятности выполнения съемки и высокой оперативности обработки информации данные РСА стали незаменимыми при контроле за чрезвычайными ситуациями (ЧС). Например, изображение района аварии нефтепровода в Бразилии (18 января 2000 г.), в результате которой образовалось нефтяное пятно площадью 40 км2, было получено через 12 ч после аварии.
Для повышения оперативности доведения информации КА RADARSAT до конечных пользователей во многих странах (например, в США, Канаде, Великобритании, Нидерландах) разработаны и применяются универсальные мобильные станции, которые могут быть быстро переброшены и в считанные часы развернуты в районах ЧС. Аналогичная по возможностям мобильная станция на базе технологии УниСкан создана и в России инженерным центром «СканЭкс».
Рис. 5. ЗD-модель района прохождения магистрального трубопровода на Аляске, созданная по данным интерферометрической обработки снимков КА RADARSAT-1 в целях обнаружения последствий землетрясения 3 октября 2002 г. (по данным компании RSI)
В стадии отработки технологии находится перспективное направление интерферометрической обработки космических данных РСА (Interferometric SAR InSAR), которое позволяет при многократной съемке объекта с близких по координатам участков орбиты определять незначительные (порядка нескольких сантиметров) сдвиги или смещения почвы. Методы InSAR предполагается использовать при оценке последствий землетрясений, для выявления площадей развития различных деструктивных процессов, в том числе площадей (мульд) проседания грунтов в районах месторождений и проложения трасс трубопроводов (рис. 5).
RADARSAT в России и СНГ
В октябре 2004 г. завершилась сертификация приемного центра в Москве, который был введен в состав международной сети приемных станций спутника RADARSAT-1. Впервые в состав сети включена российская приемная станция MARC (Moscow Archive and Reception Center), принадлежащая ИТЦ «СканЭкс». Ее основу составляет универсальная приемная станция Х-диапазона частот УниСкан .
Успешная сертификация означает приход данных КА RADARSAT на российский рынок пространственной информации. Если раньше российские клиенты вынуждены были заказывать и получать радиолокационные изображения из Канады, теперь прием данных осуществляется с борта спутника непосредственно на российскую станцию MARC. Подобная схема позволяет существенно снизить стоимость космической информации и повысить ее оперативность.
В дальнейшем можно ожидать увеличения масштаба применения данных космической радиолокационной съемки в России и странах СНГ. В 2005 г. завершили сертификацию две приемные станции УниСкан в Казахстане (Астана и Атырау). Кстати, нефтедобывающие компании Казахстана и зарубежные компании ТЭК, работающие здесь, уже несколько лет используют данные КА RADARSAT и сканера MODIS для информационного обеспечения деятельности в районе Северного Каспия.
Таким образом, разработанные технологии космического мониторинга с помощью РСА являются сегодня необходимым атрибутом государственных и коммерческих компаний мировой нефтегазовой индустрии. Для российского рынка пространственных данных радиолокационный космический мониторинг с использованием КА RADARSAT может стать мостом для опробования передовых методов информационного обеспечения ТЭК и создания аналогичных по возможностям отечественных систем с РСА.
Тел: (095) 939-56-40, 246-38-53
Факс: (095) 939-42-84, 246-25-93
Адрес: 119021, Москва, ул. Льва Толстого, 22/5
E-mail: info@scanex.ru
Интернет: www.scanex.ru
RSS
Реклама
В.Е. Гершензон (ИТЦ «СканЭкс»)
А.А. Кучейко (ИТЦ «СканЭкс»)
