УДК
621.43.032.8:681.586.4:001.895
Алексей Игоревич Турбин,
к.ф.н., действительный
государственный советник РФ третьего класса
Вячеслав Олегович Калас,
зам. начальника управления, ЗАО
«ОМЕГА»
Станислава Игоревна Васютинская,
к.э.н., доцент
Аннотация. Авторы анализируют применение
распределенных волоконно-оптических датчиков на примере
российского инновационного предприятия «ПетроЛайт»,
специализирующегося на разработке и внедрении Системы
мониторинга протяженных объектов (СМПО). Показаны
перспективы дальнейшей разработки таких систем, в том числе
с учетом необходимости локализации фиксируемых потенциально
опасных событий. Намечены пути оценки экономического эффекта
от внедрения систем.
Ключевые слова. Распределенные волоконно-оптические
датчики, мониторинг протяженных объектов, детектор метана,
система комплексного мониторинга скважин.
SYSTEM OF EXTENDED FACILITIES` MONITORING “OMEGA”: NEW
OPTIONS PROVIDED BY FIBER-OPTIC SENSORS
Abstract. Authors analyze the application of
distributed fiber-optic sensors on example of the Russian
innovative enterprise PetroLight Company specialized on
elaboration and installation of the System of Monitoring of
Extended Objects (SMEO). Further extension ways of the
system implementation scope are shown, a.o. in the aspect of
the indicated events localization. Economical effect
calculation methods of the system implementation are
roughcast.
Keywords. Distributed fiber-optic sensors, extended
facilities monitoring, methane detector, multipurpose well
monitoring system.
Почти сто лет назад у истоков исследований различных видов
рассеяния световых потоков в веществе стояли ученые МГУ
Л.Мандельштам и Г.Ландсберг. Однако массированная разработка
этих перспективных направлений, вылившаяся в активное
внедрение волоконно-оптических технологий, стала возможной
лишь около сорока лет назад с совершенствованием элементной
базы, в первую очередь после начала производства волокна с
малыми оптическими потерями.
Рассеянием света считается рассеяние электромагнитных волн
видимого диапазона при их взаимодействии с веществом.
С точки зрения практического применения актуальными являются
следующие виды рассеяния:
- Рассеяние Рэлея — упругое рассеяние на малых частицах,
размером много меньше длины волны.
- Рассеяние Мандельштама-Бриллюэна — неупругое рассеяние на
колебаниях решётки.
- Рамановское рассеяние — неупругое рассеяние на атомных
колебаниях в молекуле.
Генерируемый лазером поток света проходит по оптическому
волокну и изменяется под воздействием температурных и
физических факторов: на этом принципе созданы уникальные
распределенные датчики. Их основными преимуществами являются
высокая чувствительность, долговечность, электрическая
пассивность, невосприимчивость к электромагнитным помехам, а
также относительно низкая стоимость. Оптическое волокно
полностью невосприимчиво к электромагнитным воздействиям и
помехам, по конфигурациям прокладки на местности и
назначению систем имеются широчайшие функциональные
возможности (1).
Оптическое волокно состоит из кварцевого стекла с химической
формулой земляного песка SiO2 и малыми добавками легирующих
примесей. Стеклянные нити покрыты полимерами, то есть
являются полностью диэлектрическими. Цифровая система
обработки аналоговых интерференционных сигналов–откликов
позволяет реализовать высокую точность регистрации изменения
амплитуды модуляции волокна-сенсора, например, звуком, когда
его сила в величинах давления является малой или предельно
малой ~ 10-3 – 10-5 Па.
По сути, распределенный датчик представляет собой участок
оптического волокна, способный заменить тысячи независимых
сенсоров. Кроме того, распределенный датчик вобрал в себя
функции и совокупности чувствительных элементов, и среды
передачи информации. Информация эта касается, в частности,
изменения температуры. Распределенные датчики температуры
имеют пространственное разрешение от 1 м и чувствительность
до 0,1оС. Когерентные рефлектометры позволяют с высочайшей
чувствительностью обнаруживать самые малые вибрации и
перемещения в широком диапазоне частот.
Рис.1. Базовая схема оптического рефлектометра
Базовой схемой распределенного оптического датчика является
рефлектометрическая схема (Рис.1). Рефлектометр содержит
источник излучения (1), направленный ответвитель или иное
средство для регистрации обратно рассеянного излучения (2),
оптическое волокно (3) и фотоприемник (4). Световой сигнал,
распространяясь по волокну, частично рассеивается, в том
числе в обратном направлении, и попадает на фотоприемник.
Системы, основанные на когерентной рефлектометрии (или COTDR),
существенно превосходят разрабатывавшиеся ранее модули,
действие которых основано на межмодовой интерференции в
многомодовых волокнах или на интерферометре Маха-Цендера. В
первом случае невысока чувствительность регистрации сигнала,
а координатная информация по длине волокна практически
отсутствует, а во втором — система становится крайне
дорогостоящей. Когерентная рефлектометрия, на основе которой
создаются получившие широкое применение в отечественной
практике контрольно-измерительные комплексы СМПО «ОМЕГА»,
делает одно оптическое волокно эквивалентом десятков тысяч
чувствительных элементов. Важно при этом, что возникающие
помехи не суммируются по длине волоконно-оптического
датчика, а о месте его умышленного разрыва оператору будет
известно через считанные секунды. При этом число
регистрируемых системой воздействий практически не
ограничено.
Особо важным преимуществом COTDR является техническая
возможность восстановления формы сигнала воздействия,
линейный режим эксплуатации, что позволяет точно
классифицировать отмеченные события. Применительно к 5500
километрам трубопроводов ОАО «АК «Транснефть», на которых
установлена Система обнаружения утечек и контроля активности
(СОУиКА «ОМЕГА») , это означает, что система способна в
режиме реального времени отслеживать активность в охранной
зоне трубопровода, определяя ее характер, а также выявлять
даже сверхмалые утечки из трубопровода и их координаты (2).
При этом утечка определяется как по признаку изменения
температуры в месте пролива нефти или нефтепродукта, так и
по акустическому признаку.
Рис. 2. Автоматическое рабочее место оператора СМПО
Серийно выпускаемая СМПО «ОМЕГА» в настоящий момент
базируется на двух подсистемах: DTS (Distributed Temperature
Sensor, распределенный датчик температуры) и DAS (Distributed
Acoustic Sensor, распределенный датчик вибрации). DTS в
режиме реального времени анализирует изменения в
температурном поле и с пятиметровой точностью обнаруживает
утечки газа, нефти и других жидкостей, в том числе в
многофазных трубопроводах. DAS посредством анализа вибраций
в непосредственной близи трубопровода указывает на
активность третьих лиц и другие потенциальные опасности в
охранной зоне, а также подтверждает сигнал об утечке.
Как уже подчеркивалось, распределенный акустический датчик
основан на применении оптического волокна в двух качествах:
набора виртуальных микрофонов и среды передачи информации.
DAS использует когерентную оптическую рефлектометрию для
анализа обратно-рассеяного светового сигнала с целью записи
колебаний в нескольких виртуальных каналах, число которых
может доходить до десятков тысяч. В результате сотни событий
могут быть обнаружены одновременно и независимо друг от
друга. Важно то, что при оснащении СМПО объектов, линейная
протяженность которых меньше 50 км, традиционная для Системы
пятиметровая длина виртуального микрофона может быть
уменьшена до 3 и менее метров. Таким образом, утечка или
иное событие может быть обнаружено с трехметровой точностью,
что подчеркивает одно из концептуальных преимуществ
волоконно-оптических датчиков.
С точки зрения технического исполнения СМПО, содержащая два
канала регистрации, состоит из оптического блока, блока
температурной регистрации, двух электронных блоков и блока
бесперебойного питания, размещенных в экранированном шкафу
(рис.3). Автоматизированное рабочее место (АРМ) оператора
связано с логическим модулем через локальную сеть.
Рис. 3. Структурная схема СМПО «ОМЕГА»
В качестве чувствительного элемента (волоконно-оптического
датчика) СМПО использует волоконно-оптический кабель
серийного производства, прокладываемый на расстоянии не
менее 0,2 м и не более 1,5 м от боковой образующей
трубопровода. Строительные длины кабеля сращиваются
проходными оптическими муфтами, в которых через каждые 25 км
располагаются линейные оптические усилители. Допустимая
рабочая температура волоконно-оптического датчика составляет
от -30 до +60˚С, в то время как логический модуль системы
работоспособен в диапазоне от +1 до +40 градусов, что
соответствует стандартному микроклимату в помещениях, где
размещается электронная аппаратура.
Уже более пяти лет применяемая на отечественных
трубопроводах СМПО «ОМЕГА» обладает техническими
характеристиками, достаточными для успешного осуществления
мониторинга и ничем не уступающими зарубежным аналогам, а по
ряду параметров превосходящими их (3). Так, установив
рабочий режим уже через 10 минут после включения, система
определит утечку по виброакустическому каналу, а по каналу
регистрации изменения температуры — не позднее, чем через
час после начала утечки. При этом диапазон частот
регистрации каналов составляет от 1 до 500 Гц.
Рис. 4. Логический модуль СМПО «ОМЕГА» (слева) на лабораторных испытаниях
Основным назначением электронных блоков является первичная
обработка полученной информации специализированным
программным обеспечением. АРМ на базе персонального
компьютера отображает результаты мониторинга трубопровода:
происшедшие события визуализируются на карте или схеме
местности с указанием времени.
В настоящее время усилия разработчиков волоконно-оптических
систем компаний «ОМЕГА» и «ПетроЛайт» сосредоточены как на
повышении качества распознавания сигналов системы, так и на
диверсификации сфер применения инновационного
контрольно-измерительного комплекса. Первым шагом в этом
направлении стало прохождение в 2015 г. сертификации СМПО
для применения на газопроводах ОАО «Газпром». При этом
Система сохранила важные функции, заложенные ее создателями
и касающиеся мониторинга физической и технологической
безопасности эксплуатации трубопровода.
Рис. 5. Прокладка одного из трубопроводов ОАО «АК «Транснефть» и волоконно-оптического датчика
Кроме того, в компании создан сверхчувствительный детектор
метана, который стал важным дополнением к СМПО (4). В
течение 30 миллисекунд он способен обнаружить концентрацию
метана, не превышающую 1,1%. При этом кювета-детектор
устанавливается в труднодоступных местах: на участках
тоннельной прокладки магистрального трубопровода, на
пересечениях линий трубопроводов с другими важными
коммуникациями. Особое значение приобретает при этом другая
характеристика новой версии СМПО: детектор метана может быть
удален от логического модуля на дистанцию до 50 километров.
Совместное применение детектора метана и распределенного
датчика температуры открывает путь для вывода на
отечественный и зарубежный рынок особой системы,
предназначенной для раннего оповещения об угрозе
возникновения пожара на шахте. Важные преимущества как
распределенных, так и точечных датчиков температуры,
акустики и давления создают благоприятные предпосылки для
использования разновидностей СМПО в различных агрессивных
средах, в частности, в атомной промышленности.
Нельзя не упомянуть еще об одном перспективном проекте,
вытекающем из новейшей практики нефте- и газодобывающей
промышленности и из описанных преимуществ
волоконно-оптических технологий. Речь идет о Системе
комплексного мониторинга скважин (СКМС), которую «ПетроЛайт»
и «ОМЕГА» предложат компаниям ТЭК уже в 2016 году.
Разработка представляет собой комплексную систему
термометрии и измерения давления в скважине, построенную с
использованием распределенного датчика температуры и
точечного датчика давления.
Рис. 6. Варианты расположения датчика DTS в СКМС
Система является эффективным инструментом для мониторинга и
проведения исследований скважин в режиме реального времени.
Опираясь на надежную работу специально разработанных
распределенных датчиков температуры и точечных датчиков
давления, система позволит в непрерывном режиме измерять
профиль температурных колебаний по всей длине ствола
скважины, а также забойного давления. Контроль притока по
всей длине горизонтального участка ствола, а также работы
отдельных пропластков продуктивного горизонта в совокупности
с определением профиля приемистости в нагнетальных скважинах
позволит в режиме он-лайн оценивать работу скважин. При этом
контролируемый температурный диапазон составит от – 60 до +
400⁰С (5). Таким образом, предлагаемая технология способна
создать так называемое «интеллектуальное месторождение»,
эксплуатация которого позволит оптимизировать
производительность оборудования и продуктивность скважин,
значительно повысит коэффициент извлечения нефти и сократит
производственные затраты.
Касаясь экономического эффекта от внедрения систем
мониторинга компаний «ОМЕГА» и «ПетроЛайт», следует
отметить, что в общем виде он эквивалентен оценке
предотвращенного совокупного ущерба с учетом разности в
стоимости оснащения объекта обычными системами мониторинга и
рассматриваемыми инновационными. Между тем, исчисление
ущерба, особенно экологического, производится в соответствии
с различными методиками.
Рис. 7. Схема определения суммарного ущерба от чрезвычайной ситуации на трубопроводе
В общем случае ущерб Уз от загрязнения земель нефтью
определяется по формуле:
,
где:
– норматив стоимости сельскохозяйственных земель;
– коэффициент пересчета в зависимости от периода времени
по восстановлению загрязненных сельскохозяйственных земель.
Для городских территорий время самовосстановления
загрязненных земель составляет 5 лет и Кп=3,8;
– коэффициент пересчета в зависимости от степени
загрязнения земель нефтью;
– коэффициент экологической ситуации и экологической
значимости территории i-ого экономического района. Для
Дальнего Востока, например, Кэ(i)=1,1;
– коэффициент пересчета в зависимости от глубины
загрязнения земель;
– площадь нефтенасыщенного грунта, м2.
Производимые по этой формуле расчеты красноречиво
свидетельствуют, что СМПО можно с полным правом
рассматривать как инвестиционный проект, надежно страхующий
оператора трубопровода от экологического ущерба. При этом
надо учесть, что при серьезных авариях ущерб возникает не
только экологический, но и технологический и социальный
(заключающийся, в частности, в компенсациях раненым или даже
погибшим). Экономический эффект от внедрения разработок
компаний «ОМЕГА» и «ПетроЛайт» ощутим в силу технических
преимуществ системы, среди которых – работа в режиме
реального времени, высокая чувствительность
волоконно-оптических датчиков и точность классификации
потенциально опасных событий.
ИСТОЧНИКИ:
- 1. N.Psel, A.Turbin. Innovative Response to Technologic and
Anthropogenic Challenges: Omega’s Fibre-Optic Cable-Based
Monitoring System for Pipelines. Pipelines International
Digest, 11/2012, pp.18-19.
- 2. D.Pleshkov, E.Akhmedov, N.Psel and A.Turbin. OMEGA-LDACS:
Safer Detection with the Distributed Acoustic Sensor. 3R,
Technical Journal for Piping System Integrity and Efficiency.
Pipeline Special 2013. Vulkan-Verlag GmbH, Essen, Germany.
pp. 43-46.
- 3. Л.И.Клинцевич. СМПО «ОМЕГА»: многофункциональный
волоконно-оптический страж. Журнал «Технологии
безопасности», декабрь 2014 г., стр.54-56.
- 4. N.Psöl. Rohrleitungs-Überwachungssystem „Omega“ findet
auch Methan-Lecks («Система мониторинга «ОМЕГА» обнаруживает
и утечки метана»). Журнал «3R», Vulkan-Verlag GmbH, Essen,
Germany. №07-08, стр. 45. А также М.М.Хоронеко, Э.Р.Ахмедов.
«Компания «ПетроЛайт» разработала сверхчувствительный
детектор метана для мониторинга утечек. Экологический
вестник России, №1 2015 г., стр.38-40.
- 5. С.И.Васютинская, В.Д.Малкина, Г.А.Киселев.
Волоконно-оптические датчики в агрессивных средах:
эффективность и экологичность. Журнал «Экологический вестник
России», 2015, №9, стр. 20-23
