способ дистанционного контроля состояния трубопровода в зоне вечной мерзлоты

Формула изобретения

Способ дистанционного контроля состояния трубопровода в зоне вечной мерзлоты, заключающийся в том, что проводят дистанционное зондирование трассы пролегания трубопровода с летящего объекта, отличающийся тем, что дистанционное зондирование трассы пролегания трубопровода осуществляют путем проведения радиолокационной интерферометрической съемки с повторяющихся орбит космических аппаратов, когда расстояние между траекториями полета космического аппарата (интерферометрическая база) составляет не более 500 м, при этом вначале для каждого из элементов радиолокационных изображений, полученных в разные моменты времени, определяют разность фаз сигналов Ф, содержащую информацию о перемещениях отражающей поверхности и рельефе, затем, исходя из модели рельефа и геометрии съемки, вычисляют топографическую разность фаз Ф _topo, порождаемую рельефом, и по разности указанных фаз определяют динамическую разность фаз Ф _dyn за время между съемками данной пары: _dyn=Ф-Ф _toro, после чего вычисляют вертикальную составляющую перемещений отражающей поверхности за время между съемками трубопровода на поверхности земли и утяжеляющих конструкций вместе с трубопроводом или лежащего на трубопроводе грунта по следующей зависимости:

где -длина волны сигнала, - угол падения радиоволны на снимаемую поверхность, r _vert -вертикальная составляющая перемещения отражающей поверхности относительно поверхности земли за время между съемками.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к нефтегазовой промышленности и может быть использовано для дистанционного контроля состояния сооружений газо- и нефтепроводов, находящихся в сейсмически неустойчивой зоне или в зоне вечной мерзлоты, неустойчивого грунта, оползней, болот, дна рек и морей и др.

Эксплуатация современных трубопроводов предполагает их периодическое обследование с целью выявления нарушения целостности труб, происходящих, например, из-за деформаций, вызываемых перемещениями грунта при его замерзании и оттаивании.

Известен способ дистанционного обнаружения утечек тепла из подземных трубопроводов (авт. свид. СССР N 1434212, кл. F 17 D 5/02, 1988). Способ включает аэросъемку теплового поля трассы трубопровода, фиксирование местоположения локальных участков местности с повышенной температурой, а также наземную термометрию эталонных участков трассы. Точность определения местоположения утечки при данном способе диагностики достаточно высока, так как повышение температуры земной поверхности происходит непосредственно в месте повреждения трубы. Однако указанный способ применим лишь для поиска дефектов в трубопроводах, служащих для транспортировки сильно нагретой среды, например теплоносителя в теплопроводах, и не позволяет обнаружить утечки транспортируемых жидких и газообразных углеводородов, если их температура чуть выше или близка к температуре окружающей среды. К тому же данный способ предполагает проведение наземной термометрии.

Указанных недостатков частично лишен выбранный в качестве прототипа способ дистанционного обнаружения утечек в трубопроводе (авт. свид. СССР N 1800219, кл. F 17 D 5/02, 1993). Данный способ включает аэросъемку теплового поля трассы, определение пороговых значений яркости, местоположения локальных участков местности с пониженной температурой, фиксирование значений яркости теплового поля локальных участков.

Способ хорошо решает задачи обнаружения утечек в трубопроводе при транспортировании по трубе сжиженных газов, когда сжиженный газ находится под давлением в несколько десятков атмосфер, благодаря чему сохраняется в жидкой фазе. При утечке из трубы в окружающую среду (в область низкого давления) происходит процесс перехода сжиженного газа из жидкой фазы в газообразную, сопровождающийся понижением температуры газа и окружающей среды в месте утечки. Поэтому поиск утечки сжиженного газа осуществляется посредством анализа участков местности с пониженной температурой. Так как глубина залегания трубы в грунте на трассе трубопровода не превышает нескольких диаметров трубы, зона охлаждения локализуется на поверхности трассы на участке с размерами, приблизительно равными глубине залегания трубы, что характеризует достаточно высокую точность определения местоположения утечки. Для обнаружения утечки сжиженного газа из трубопровода необходимо, чтобы тепловой контраст локального участка местности, возникший вследствие охлаждения грунта в месте утечки, превосходил тепловые контрасты естественных фоновых образований.

Однако указанный способ не позволяет обнаруживать с достаточной достоверностью сам факт повреждения или деформации трубопровода, транспортирующего углеводороды, находящиеся в естественном состоянии в жидкой фазе, например нефть, бензин, дизтопливо и т.д., тем более, когда, например, температура нефти, транспортируемой по трубе, близка к температуре окружающей среды и составляет по технологии перекачки всего +17°С. Поэтому тепловые контрасты (аномалии) будут иметь небольшие значения и их будет трудно отличить на фоне естественных фоновых неоднородностей, величина и характер распределения которых зависит от состояния почвенного покрова на трассе, погодных, сезонных, географических и других условий.

Задачей настоящего изобретения является дистанционное обнаружение мест деформации трубопровода, что позволит предотвратить последующее разрушение трубопровода и утечку транспортируемой по трубопроводу среды.

Указанная задача решается за счет того, что в способе дистанционного контроля состояния трубопроводов в зоне вечной мерзлоты, заключающемся в том, что проводят дистанционное зондирование трассы пролегания трубопровода с летящего объекта, при этом дистанционное зондирование трассы пролегания трубопровода осуществляют путем проведения радиолокационной интерферометрической съемки с повторяющихся орбит космических аппаратов, когда расстояние между траекториями полета космического аппарата (интерферометрическая база) составляет не более 500 м, при этом вначале для каждого из элементов радиолокационных изображений, полученных в разные моменты времени, определяют разность фаз сигналов Ф, содержащую информацию о перемещениях отражающей поверхности и рельефе, затем исходя из модели рельефа и геометрии съемки вычисляют топографическую разность фаз Ф _topo, порождаемую рельефом, и по разности указанных фаз определяют динамическую разность фаз Ф _dyn, за время между съемками данной пары: Ф _dyn=Ф-Ф _topo, после чего вычисляют вертикальную составляющую перемещений отражающей поверхности за время между съемками трубопровода на поверхности земли, утяжеляющих конструкций вместе с трубопроводом или лежащего на трубопроводе грунта по следующей зависимости:

где - длина волны сигнала, - угол падения радиоволны на снимаемую поверхность, t _vert - вертикальная составляющая перемещения отражающей поверхности относительно поверхности земли за время между съемками.

Как показал проведенный анализ, использование спутников для проведения дистанционного контроля состояния газо- или нефтепровода позволяет обнаруживать смещения трубопроводов и планировать меры по предотвращению его разрушения. Особенно это актуально для районов вечной мерзлоты. Полученная при проведении интерферометрической съемки разность начальных фаз отраженных сигналов несет информацию о рельефе поверхности и мелкомасштабном смещении отражающей поверхности. Учитывая последнее обстоятельство, обеспечивается возможность достоверного выявления мест, где имеет место деформация трубопровода. Наиболее перспективным является способ зондирования трассы пролегания трубопровода с летящего объекта, а именно радарной интерферометрической съемки с повторяющихся орбит космического аппарата, при котором проводится совместная обработка сеансов съемки, проведенной над одной и той же территорией, причем расстояние между трассами космического аппарата составляет базу синтезируемого интерферометра. Период, при котором расстояние между траекториями космического аппарата (интерферометрическая база) составляет до нескольких сотен метров, называется периодом повторения орбиты. Для эксплуатируемых современных космических систем этот интервал находится в пределах 35-45 суток. В ходе исследования было обработано множество пар радарных изображений, позволяющих получить карту высот рельефа изучаемого района местности и обнаружить смещения подстилающей поверхности в зоне съемки. В ходе исследования была решена задача разделения влияния рельефа и смещений поверхности за время между съемками, заключающаяся в том, что совместная обработка трех или более сеансов съемки с повторяющихся траекторий позволяет разделить влияние рельефа и смещения поверхности за время между съемками. Формируя две независимые интерферометрические пары, можно решить задачу с двумя неизвестными - рельефом и динамикой отражающей поверхности. В ходе проведенного исследования показано, что анализ получаемых с космического аппарата (или космических аппаратов) интерферограмм позволяет обнаружить процессы проседания трубопроводов из-за протаивания грунта под трубами или процессы всплывания трубы из-за морозного пучения или другое. Изменение разности фаз, например, в районе протяженных болот, может свидетельствовать о мелкомасштабном смещении поверхности болот в летний период эксплуатации трубопровода в результате потери паводковой воды. Площадь, охватываемая одним снимком, составляет несколько тысяч км², и потому практически возможно контролировать площадь, например, всей Западной Сибири. Рассматриваемый способ позволяет создавать архивы по времени года и по годам для анализа состояния трубопроводов, обвалования полосы строительства практически за весь срок эксплуатации трубопровода.

Описываемый способ реализуется следующим образом.

Проводят дистанционное зондирование трассы пролегания трубопровода, которое осуществляют путем проведения радиолокационной интерферометрической съемки с повторяющихся орбит космических аппаратов, когда расстояние между траекториями полета космического аппарата (интерферометрическая база) составляет не более 500 метров. Вначале для каждого из элементов радиолокационных изображений, полученных в разные моменты времени, определяют разность фаз сигналов Ф, содержащую информацию о перемещениях отражающей поверхности и рельефе. Затем исходя из модели рельефа и геометрии съемки вычисляют топографическую разность фаз Ф _topo, порождаемую рельефом, и по разности указанных фаз определяют динамическую разность фаз Ф _dyn, за время между съемками данной пары: Ф _dyn=Ф-Ф _topo, после чего вычисляют вертикальную составляющую перемещений отражающей поверхности за время между съемками трубопровода на поверхности земли, утяжеляющих конструкций вместе с трубопроводом или лежащего на трубопроводе грунта по следующей зависимости:

где - длина волны сигнала, - угол падения радиоволны на снимаемую поверхность, r _vert - вертикальная составляющая перемещения отражающей поверхности относительно поверхности земли за время между съемками.

Таким образом, интерферометрические методы радиолокационной съемки при использовании схемы наблюдений с повторяющихся орбит позволяют обнаружить мелкомасштабные смещения поверхности за время между съемками в месте прокладки трубопровода. Измерение перемещений трубопроводов в вертикальной плоскости, возможно, проводить с точностью до долей длины волны сигнала.

Измерение разности фаз между элементами изображений двух съемок возможно проводить в диапазоне от минимального периода повторения орбиты в одни сутки (как это было реализовано в тандемной съемке двумя космическими аппаратами ERS-1 и ERS-2) до 10 лет. Увеличение интервала времени между наблюдениями увеличивает амплитуду эффекта, но вместе с тем приводит к возрастанию временной декорреляции отражений вплоть до полной потери сигнала.

Настоящее изобретение может найти применение в газодобывающей и нефтедобывающей промышленности, а также ряде других отраслей, где необходимо контролировать состояние протяженных объектов в трудно доступных местах, в частности в районах вечной мерзлоты Сибири.