АВИАЦИОННОЕ  ЗОНДИРОВАНИЕ  АТМОСФЕРЫ  С  ЦЕЛЬЮ  РАЗВЕДКИ  МЕСТОРОЖДЕНИЙ  ПРИРОДНОГО  ГАЗА  —  КАК  ПЕРСПЕКТИВНЫЙ  МЕТОД  АВТОМАТИЗИРОВАННОГО  ПОИСКА  ГАЗОВЫХ  МЕСТОРОЖДЕНИЙ  В  ПРИЗЕМНОМ  СЛОЕ

Хабаров  Виталий  Александрович

канд.  техн.х  наук,  доцент  кафедры  «Вычислительная  техника»  Сибирский  федеральный  университет,  РФ,  г.  Красноярск

E -mail: 

Попов  Дмитрий  Викторович

магистрант,  Сибирский  федеральный  университет,  РФ,  г.  Красноярск

E -mail:  Juuuis92@gmail.com

AVIATION  SOUNDING  OF  THE  ATMOSPHERE  FOR  THE  PURPOSE  OF  INVESTIGATION  OF  NATURAL  GAS  FIELDS  —  AS  A  PERSPECTIVE  METHOD  OF  THE  AUTOMATED  SEARCH  OF  GAS  FIELDS  IN  A  GROUND  LAYER

Habarov  Vitaly

candidate  of  Technical  Sciences,  associate  professor  "Computer  facilities"  Siberian  federal  university,  Russia,  Krasnoyarsk

Popov  Dmitry

undergraduate,  Siberian  federal  university,  Russia,  Krasnoyarsk

Аннотация

Изложена  актуальность  создания  новых  методов  и  средств  обнаружения  нефтегазовых  месторождений.  Рассмотрены  два  основных  метода  дистанционного  лазерного  зондирования.  Приведена  схема  оптической  части  прибора.  Изложены  основные  принципы  функционирования  программно-аппаратного  комплекса.

Abstract

Relevance  of  creation  of  new  methods  and  sensors  of  oil  and  gas  fields.  Two  main  methods  of  laser  remote  sensing  are  described.  Are  provided  the  scheme  of  optical  part  of  the  device.  The  basic  principles  of  functioning  of  a  hardware-software  complex  are  stated.

Ключевые  слова:   Дистанционное  зондирование;  лазер;  лидар;  лидарное  уравнение;  модель  атмосферы;  дифференциальное  поглощение;  комбинационное  рассеяние;  углеводород.

Keywords:  Remote  sounding;  laser;  lidar;  lidar  equation;  atmosphere  model;  differential  absorption;  combinational  dispersion;  hydrocarbon.

Вопросы  поиска  новых  месторождений  нефти  и  газа  занимают  доминирующее  положение  в  экономике  любой  страны.  Технологии  поисково-разведочных  работ  подразумевают  помимо  комплекса  геологических,  геофизических,  гидрогеохимических  работ,  также  бурение  скважин  и  их  исследование  с  целью  выявления,  оценки  запасов  и  подготовки  к  разработке  промышленных  залежей  нефти  и  газа.  К  сожалению,  процент  «пустых»  —  поисковых  скважин  достаточно  высок.  В  среднем,  по  всему  миру  коэффициент  успешности  поисков  нефтяных  и  газовых  месторождений  составляет  около  0,3  [1].  Значит,  только  каждый  третий  разбуренный  объект  оказывается  месторождением.  Нередки  и  меньшие  значения  коэффициента  успешности. 

Для  повышения  точности  и  скорости  обнаружения  месторождений,  а  также  для  проведения  поисковых  работ  в  труднодоступных  областях  требуется  создание  новых  уникальных  методов  и  средств  обнаружения  месторождений.  Здесь,  наиболее  перспективными  следует  считать  экспресс  методы  обнаружения  поверхностных  утечек  газа,  к  которым  следует  отнести  весь  спектр  аэрокосмического  зондирования  земной  поверхности,  в  том  числе  автоматизированную  съемку  и  обработку  информации,  методом  дистанционного,  лазерного  измерения  концентраций  предельных  углеводородов  (метан,  этан,  бутан,  пропан),  а  также  экспресс  диагностику  для  определения  малых  концентраций  метана,  этана,  пропана  в  приземном  слое,  основанную  на  хроматографическом  анализе  газовых  смесей  [2].

Мониторинг  может  проводиться  из  космоса  приборами,  установленными  на  искусственных  спутниках  Земли,  и  приборами,  находящимися  в  пределах  земной  атмосферы  (станции  мониторинга,  аэросъемки).  Методы  дистанционного  зондирования  можно  подразделить  на  два  больших  класса:  пассивные  и  активные.  Методы  пассивного  дистанционного  зондирования  основаны  на  регистрации  отраженного  солнечного  излучения,  просуммированного  с  собственным  излучением  атмосферы,  облаков  и  земного  покрова  и  ослабленного  в  атмосфере.  Поэтому  при  пассивном  дистанционном  зондировании  Земли,  необходимо  учитывать:  прозрачность  столба  атмосферы  между  прибором  и  зондируемой  поверхностью  в  рабочих  участках  спектра;  излучение  атмосферных  источников  и  подстилающей  поверхности,  к  которым  относятся  собственно  атмосфера,  облака  и  земная  поверхность,  а  также  излучение  космических  источников:  прежде  всего  Солнца  и  Луны,  если  прибор  находится  на  искусственном  спутнике  Земли.  Одним  из  определяющих  факторов,  формирующих  прозрачность  столба  атмосферы  в  рабочих  участках  спектра  являются  спектры  поглощения  различных  газовых  компонентов  атмосферы  в  диапазоне  длин  волн  от  100  м  до  100  нм.  Величина  сигнала  на  фотоприемнике  прибора,  при  пассивном  зондировании  зависит  также  и  от  местоположения  рабочего  участка  в  солнечном  спектре.  При  пассивном  и  активном  дистанционном  зондировании  важную  роль  в  формировании  полезного  сигнала  и  его  информативности  играют  спектры  поглощения  минералов  и  отражения  различных  объектов  зондирования  [3].

Активное  дистанционное  зондирование  проводится  в  видимом  диапазоне  с  помощью  лидаров  (532  нм),  но,  в  основном,  в  радиодиапазоне.  При  зондировании  из  космоса  используется  сверхвысокочастотный  (СВЧ)  диапазон  волн  —  от  миллиметров  до  нескольких  сантиметров.  В  этом  диапазоне  атмосфера  Земли  обладает  высокой  прозрачностью,  поэтому  радиометры  и  радиолокаторы  позволяют  практически  всегда  осуществлять  зондирование  земных  покровов,  причем,  независимо  от  наличия  облаков.  Электрические  свойства  природных  образований  в  радиодиапазоне  характеризуются  определенной  диэлектрической  постоянной  и  их  температурой,  которая  для  большинства  природных  объектов  составляет  величину  2—5,  а  для  воды  при  20  град.  С  —  около  80.  Такой  контраст  позволяет  эффективно  применять  микроволновое  зондирование  природных  объектов,  связанных  с  присутствием  влаги:  влажность  почв,  засоленность  водоемов  и  почв,  температуры  поверхности,  ледовой  обстановки  в  районе  северного  морского  пути  Арктики.  Проникающая  способность  радиоволн  позволяет  получить  особую  информацию  о  земных  покровах,  которую  не  удается  извлечь  из  наблюдений  в  оптическом  диапазоне.  Так,  в  известной  степени  радиоволны  позволяют  «преодолеть»  экранирующий  эффект  растительных  покровов  и  получить  информацию  непосредственно  о  свойствах  земных  грунтов.  С  другой  стороны,  с  помощью  радиоволн  осуществляется  глубинное  зондирование  грунта,  снега,  льда,  что  позволяет  выносить  более  объективные  суждения  о  физическом  состоянии  земных  покровов. 

В  основу  принципа  функционирования  разрабатываемого  комплекса  для  дистанционного  (авиационного)  измерения  концентраций  газа,  положен  метод  активного  лазерного  зондирование  слоя  атмосферы  с  регистрацией  излучения,  рассеянного  отражающей  поверхностью  [4].  Схема  оптической  части  представлена  на  рисунке  1. 

Резонансное  поглощение,  имеющее  место,  когда  длинна  волны  электромагнитного  излучения,  совпадает  с  одной  из  спектральных  линий  молекул  исследуемого  вещества,  считается  самым  чувствительным  из  оптических  методов  обнаружения  газов  в  атмосфере.  Использование  совпадения  длинны  волны  генерации  Не-Ne  лазера  вблизи  3,39  мкм  с  линией  поглощения  метана  обоснована  тем,  что  в  данной  области  практически  отсутствует  наложение  спектров  поглощения  обычных  атмосферных  газов.

Рисунок  1.  Схема  оптической  части.  1,2  —  лазеры,  3  —  поворотные  зеркала,  4  —  усилители  лазерного  излучения,  5  —  опорный  фотоэлемент,  6  —  отводная  пластина,  7  —  поворотные  барабаны  с  кюветами,  8  —  приемный  фотоэлемент,  9  —  параболическое  зеркало

Для  исключения  мешающих  факторов  применяется  метод  дифференциального  поглощения.  Посылаемые  по  одному  и  тому  же  пути  чередующиеся  импульсы  лазерного  излучения  близкие  значения  длин  волн  λ1=3,3922  мкм  и  λ2=3,3912  мкм,  причем  λ1  на  порядок  сильнее,  нежели  λ2  поглощается  метаном.  Из-за  близости  длин  волн  посылаемых  импульсов  коэффициенты  рассеивания  на  молекулах  атмосферных  газов  и  аэрозолях,  а  так  же  коэффициенты  отражения  для  них  одинаковы  и  таким  образом,  сравнение  двух  сигналов  после  регистрации  собранного  приемным  объективом  излучения  дает  меру  интегрального  содержания  метана  вдоль  оптического  пути.  В  качестве  источника  излучения  в  передающем  блоке  используются  два  лазерных  генератора  настроенные  на  длинны  волн  генерации  λ1=3,3922  мкм  и  λ2=3,3912  мкм.  Выходными  мощностями  Р1=10  мВт  и  Р2=5  мВт  соответственно.  Выходное  излучение  генератора  поступает  на  два  усилителя  лазерного  излучения,  при  этом  мощности  излучения  по  двум  длинам  волн  составляют  Р1=20  мВт  и  Р2=10  мВт  соответственно.  Затем  излучение  поступает  на  формирующую  оптическую  систему  передающего  блока.  Формирующая  оптическая  система  осуществляет  модуляцию  излучения  таким  образом,  что  на  выходе  образуется  последовательность  чередующихся  квазипрямоугольных  импульсов  по  двум  длинам  волн  и  отличающихся  по  амплитуде.  Частота  модуляции  (переключения)  составляет  3400  Гц.  Промоделированное  излучение  направляется  оптической  системой  на  отражающий  объект.  Кроме  того,  часть  излучения  ответвляется  на  опорный  фоторезистор  (ССD-матрицу).  Сигнал  с  матрицы  (фоторезистора)  усиливается  усилителем  опорного  канала  и  поступает  в  микропроцессорный  блок  для  синхронизации  работы  приемопередающего  тракта  [5].

Часть  отраженного  излучения  улавливается  приемным  объективом  и  фокусируется  на  фоторезисторе  (матрице).  При  этом  возникает  переменный  электрический  сигнал,  величина  которого  пропорциональна  разности  мощностей  принятых  импульсов  излучения  с  длинами  волн  λ1  и  λ2.

  Основные  характеристики  прохождения  в  атмосфере  и  отражение  для  излучения  с  близким  длинами  волн  одинаковы.  Поэтому  при  сравнительно  малом  содержании  метана  на  пути  лазерных  лучей  сигнал  с  фотоприемника  будет  представлять  собой  последовательность  чередующихся  импульсов  разной  амплитуды,  аналогичную  последовательности  посылаемых  импульсов.  Излучение  лазера  с  большой  мощностью  и  длинной  волны  λ1=3,3922  мкм  ослабляется  метаном  на  порядок  сильнее  и  при  значительной  концентрации  метана  на  фотоприемнике  будет  так  же  последовательность  чередующихся  импульсов  разной  амплитуды,  но  находящаяся  в  противофазе  к  последовательности  посылаемых  импульсов.  Момент  изменения  фазы  принимаемого  сигнала  на  180°  характеризует  некоторое  пороговое  содержание  метана. 

Таким  образом,  в  результате  анализа  вышеозначенной  проблемы,  можно  с  высокой  степенью  уверенности  утверждать,  что  применение  метода  активного  лазерного  зондирования  позволит  повысить  точность  и  скорость  обнаружения  нефтегазовых  месторождений,  а  также  сократить  затраты  на  их  поиск. 

Разрабатываемый  программно-аппаратный  комплекс  может  с  успехом  применяться  для  дистанционного  (авиационного)  зондирования  с  целью  получения  данных  о  концентрации  предельных  углеводородов  (метан,  этан,  бутан,  пропан)  в  околоземном  слое.

Список  литературы:

1.Гарбук  С.В.,  Гершензон  В.Е.  Космические  системы  дистанционного  зондирования  Земли.  М.:  Издат.  А  и  Б,  1997.  —  296  с.

2.Коршак  А.А.,  Шаммазов  А.М.  Основы  нефтегазового  дела.  Уфа:  Издат.  ДизайнПолиграфСервис,  2001.  —  543  с.

3.Непомнящий  О.В.,  Метод  бездисперсионного  абсорбционного  измерения  концентрации  метана  на  основе  аппаратной  методики  измерителя  с  открытым  оптическим  каналом.  /  О.В.  Непомнящий,  С.Ф.  Тэн,  В.А.  Хабаров  //  Информационно  измерительные  и  управляющий  системы  №  2  т.  9.  М.:  ЗАО  Издательство  «Радиотехника»,  2011,  —  С.  3—7,  ISSN  2070-0814.

4.Непомнящий  О.В.,  Математическое  и  аппаратное  обеспечение  комплекса  геофизических  исследований  для  дистанционного,  авиационного  зондирования  земной  поверхности./  О.В.  Непомнящий,  С.Ф.  Тэн,  В.А.  Хабаров  //  Авиакосмическое  приборостроение  №  10.  М.:  Научтехиздат,  2011,  —  С.  38—43.  ISSN  2073-0020.

5.Савиных  В.П.,  Соломатин  В.А.  Оптико-электронные  системы  дистанционного  зондирования.  М.:  Недра,  1995.  —  310  с.