Космические технологии и лазерное сканирование для нефтегазового строительства

РЕШЕНИЕ

Заседания Проблемного научно-технического Совета Российского Союза Нефтегазостроителей

Г. Москва 21февраля 2011г.

«Космические технологии и лазерное сканирование для нефтегазового строительства»

В настоящее время развёрнута работа по обновлению нормативных документов по проектированию и строительству магистральных трубопроводов для транспортировки нефти, природного газа и продуктов их переработки.

Обновление осуществляется по двум направлениям:

- Модернизация (актуализация) действующих СНиП, ВСН, технологических правил;

- Разработка технических регламентов, национальных стандартов, стандартов предприятий и сводов технологических правил, в том числе разработка национального стандарта по организации строительства и технологии производства работ при сооружении магистральных трубопроводов.

Актуализация и разработка новых нормативов должна отвечать задачам модернизации всего строительного производства при строительстве линейной части магистралей, возведении наземных объектов (насосных, компрессорных и резервуарных парков) с целью обеспечения более высокого уровня безопасности, надёжности, эффективности и экологической положенности. Это особенно важно и актуально для успешного выполнения новых крупных, технически сложных и очень дорогих проектов трубопроводных магистралей на суше и на море.

В 2012г. намечается окончание строительства двухниточного газопровода Северный поток (Nord Stream) протяжённостью 1200км, диаметром 48″, общей производительностью 55 млрд. м3 в год. Стоимость только морской части - 7 млрд. евро. Будут построены газопроводы в Баренцевом море от Штокмановского месторождения, в 2013г. начнётся строительство Южного потока протяжённостью около 900км на глубине до 2000м, диаметр трубопровода 813 мм (32″), производительностью 63 млрд. м3 в год.

В прошлом году для проектирования и строительства морских трубопроводов, не смотря на серьёзные замечания и возражения, принят полностью норвежский стандарт DNV, как российский национальный стандарт.

Намечена большая программа строительства на ближайшие годы сухопутных газопроводов и нефтепроводов, в которой участвуют организации – члены Российского Союза Нефтегазостроителей и СРО «Нефтегазстрой». В том числе крупные, технически сложные и дорогие системы - Сахалин-Хабаровск-Владивосток, Починки-Грязовец, Бованенково-Ухта, БТС-2 и ВСТО-2. Их строительство ведётся в тяжёлых природно-климатических условиях. Проектная стоимость прокладки 1 км линейной части нефтепровода ВСТО-2 составляет 28,8 млн. руб.

Для проектирования и строительства современных объектов трубопроводного транспорта необходимо иметь нормативные документы, отражающие последние достижения фундаментальной и прикладной науки. С этой целью были заслушаны доклады и проведено обсуждение последних достижений в аэрокосмических и геоинформационных технологиях для проектирования и строительства трубопроводов.

В новую базу геоинформационных технологий интегрированы аэрокосмические съёмки и наземные съёмки результаты лазерного сканирования, что позволяет получать трёхмерную (3D) модель рельефа и ландшафта.

Совмещение аэрокосмических изображений с топографической картой (послойный синтез) благодаря контрастно-сочетающейся цветовой гамме и теневому эффекту дают полное представление об исходном ландшафте в его трёхмерном восприятии. Снимки, выполненные в инфракрасном спектре, воспроизводят обнажения поверхностных геологических структур. С помощью специальных экспертных вычислительных систем информация анализируется с целью использования в проектах, ПОС и ППР.

Использование электронных топокарт, трёхмерных моделей при наложении трубопровода на местность при всём многообразии различного рода условий позволяет принимать при изыскании трассы из альтернативных вариантов оптимальные решения. Причём, учитывается протяжённость, коэффициент извилистости, перепады высот, количество переходов через водные преграды, геоэкологические характеристики. Все эти операции выполняются в автоматическом режиме по специальным программам.

Данные аэрокосмических съёмок позволяют:

-создавать крупномасштабные пространственные модели для автоматизированного проектирования объектов строительства с определением объёмов работ;

-осуществлять поиск и инвентаризацию месторождений строительных материалов (песок, гравий, щебень);

-делать оценку влияния проекта при его реализации на окружающую среду.

Очень важно последнее.

В результате демонстрирования экзогенных геологических процессов появляется возможность прогнозировать поражаемость участков будущей трассы с количественным определением и делать экономическую оценку «риска» нанесения ущерба самому трубопроводу.

Эффективным способом получения высокоточных данных о поверхности земли и объектах, расположенных на ней, является воздушное лазерное сканирование.

Воздушное лазерное сканирование включает в себя одновременное проведение импульсного сканирования поверхности лазерным лучом и цифровое аэрофотографирование.

Точность воздушного лазерного сканирования обеспечивает возможность картографирования в масштабах 1::10000. При этом нет необходимости в проведении полевых работ для привязки аэрофотоснимков. Цикл работ при площади объекта до 1000 км² составляет менее 60 дней. Обработка данных на всех стадиях ведется в полностью автоматизированном режиме.

Точки отражений от наземных объектов могут быть классифицированы по высоте и отражающей способности для выделения и идентификации отдельных объектов, невидимых на фото. По результатам совместной обработки точек и ортофото (в интерактивном режиме) возможно построение трехмерных моделей сооружений и других объектов.

Для полноты оценки современных возможностей космических технологий и лазерного сканирования приводятся выдержки из докладов и выступлений участников заседания.

Из доклада генерального директора -С» к. т.н. ёнова.

С помощью кибернетических систем (информационных, экспертных, систем принятия решений) созданы новые информационные технологии в проектировании и планировании строительного производства при возведении объектов нефтегазового комплекса.

Эти знания служат основой построения виртуального мира, в том числе в компьютере. Теперь можно моделировать, анализировать и находить множество альтернатив для выбора единственного правильного, оптимального решения.

Имея скупую информацию о местности, проектировщик часто совершает ошибку. Примеров таких много.

Нами созданы экспертные системы инженерно-геологических изысканий с использованием аэрокосмической информации и трехмерного моделирования возможного подъема грунтовых вод, процессов подтопления и заболачивания. Таким образом, эту опасность можно избежать уже при трассировании т. е. при камеральных инженерных изысканиях трассы, или в процессе строительства, устраивая специальные водопропуски. Эти знания генерируются по результатам интегрированной обработки аэрокосмической информации, баз данных и знаний, созданных на эту территорию.

Для обеспечения строителей необходимым запасом грунтовых строительных материалов (песка, щебня) нами разработана экспертная система их поиска в непосредственной близости от трассы также с помощью информационных и экспертных систем. Строители получают готовые карты перспективных месторождений песка, щебня, гравия, для подтверждения которых достаточно внутри оконтуренных участков пробурить одну-две разведочных скважины, а не искать эти месторождения вслепую. Особенно сложно находить пески в болотистой местности под слоем торфа, буровая техника тонет в болотах, проваливается под лед, гибнут люди. Поэтому карты перспективных месторождений грунтовых строительных материалов, созданные с помощью информационных и экспертных систем до начала полевых работ, мы составляли в процессе камеральных инженерных изысканий для всех известных мегапроектов и нефтяных компаний. Эти прогнозные карты являлись составной частью наших проектов. Достоверность прогнозных карт, как правило, составляла не менее 90 % и только в болотистой местности, например, южнее левобережья р. Оби достоверность снижалась.

К сожалению, готовых крупномасштабных геодинамических карт и карт неотектоники, которые могли бы помочь проектировщикам и строителям, нет. Их можно составить только по результатам дешифрирования и интерпретации аэрокосмических снимков, используя в качестве базовых мелкомасштабные геологические карты, карты геологических структур, например, карты четвертичных отложений. По аэрокосмическим снимкам с помощью прямых и косвенных признаков дешифрируются не только крупные геологические структуры, разломы, но и мелкие линеаменты, поверхностные геологические структуры линейного типа, кольцевые структуры, а также гидрогеологические структуры, которые в значительной степени влияют на процесс переувлажнения грунтов, подтопления, заболачивания и всплытия трубопроводов.

Аэрокосмические и кибернетические технологии проектирования позволяют построить модель реального мира с достаточно высокой точностью, подробностью и достоверностью, не затрачивая огромных средств и времени на полевые исследования и инженерные изыскания. Эту модель мы называем Виртуальный мир, на основе которого строится Виртуальный проект в нескольких его вариантах. Количество таких вариантов может достигать нескольких десятков. Недавний опыт проектирования обустройства двух соседних нефтегазо-конденсатных месторождений «Славнефть» потребовал рассмотрения 32 различных вариантов строительства системы сбора нефти и газа и внешнего транспорта. Каждый вариант был просчитан с использованием трехмерных моделей для расчета как технических, например, гидродинамических, так и экономических параметров. В результате, два соседних месторождения с низкой инвестиционной привлекательностью (по предварительным оценкам «Славнефть») превратились в единый весьма прибыльный интегрированный проект благодаря наилучшему варианту. В этой работе принимали участие известные ученые и специалисты по нефти и газу из Томска и Красноярска. Конечно, традиционными методами разработать эти 32 варианта проекта обустройства этих двух соседних месторождений было просто невозможно.

За последнее десятилетие с помощью аэрокосмических и кибернетических технологий в предельно короткие сроки были выполнены проектные работы по:

1. Созданию системы сбора и внешнего транспорта нефти в НАО (заказчик - администрация НАО).

2. Обустройству нефтегазовых месторождений Восточной Сибири (заказчики – «ЮКОС», «Роснефть», этап - Обоснование Инвестиций).

3. Инженерным изысканиям трасс магистральных газопроводов для проектов СЕГ, Бованенково-Торжок, Штокман, Алтай (заказчик – , этапы - Обоснование Инвестиций).

4. Обустройству Восточного и Западного Мессояхских нефтегазоконденсатных месторождений ( «Славнефть», этап - Технико-экономическое обоснование).

5. Инженерным изысканиям трассы железной дороги «Северный Урал-Лабытнанги-Салехард-Надым-Уренгой-Каратчаево-Игарка-Норильск».

В настоящее время с помощью этих технологий проектируются объекты обустройства территории Северного Кавказа. Созданный Виртуальный мир и Виртуальный проект позволяет уже на этапе моделирования оценить риски природно-техногенного характера, что для горной местности очень важно.

Современные аэрокосмические съемки поставляют нам спектрозональные или многозональные снимки, выполненные в оптическом диапазоне спектра в разные годы, время года и суток на одну и ту же территорию, что позволяет эффективно использовать эту информацию для проектирования объектов строительства на любую территорию мира дистанционно. Точность и детальность проекта соответствует масштабам 1::10000, в зависимости от степени информативности существующих баз данных и знаний на данную территорию. Разрешающая способность современных аэрокосмических снимков - 0,5 м и лучше, что соответствует масштабам карт и планов, составляемых на этапе ТЭО, и даже рабочего проектирования. Кроме этих спектрозональных снимков имеются радарные изображения, а также снимки, выполненные в инфракрасном диапазоне спектра, обнажая поверхностные геологические структуры. Вся эта информация обрабатывается и анализируется с помощью экспертных систем проектирования от этапа инженерных изысканий до проекта организации строительства. Для рабочего проектирования применяется технология лазерного сканирования полосы местности с одновременной фотосъемкой с вертолета, что позволяет получить 3D модель рельефа и ландшафта в масштабе 1:5000.

Особенность кибернетического подхода к инженерным изысканиям - интеграция данных аэрокосмических и наземных съемок, комплексный анализ, системность в получении новых знаний о территории с целью оптимизации проектных и строительных решений.

В докладе (к. т.н. , ), посвящённому лазерному сканированию при сооружении нефтегазовых объектов отмечалось:

Результатами воздушного лазерного сканирования являются векторные топопланы, прошедшие полевую заверку, а также цифровая модель рельефа, и cad-объекты наземных сооружений. Для проведения высокоточных измерений формы нерегулярных объектов (компрессорные станции, подстанции, зоны чрезвычайных ситуаций) выполняется наземное лазерное сканирование. Плотность сканирования доточек на 1 м² позволяет образмерить мельчайшие детали объектов.

Решаемые задачи для нефтегазовой промышленности:

• Инженерные изыскания и проектирование при строительстве трубопроводов и сооружений

• Инвентаризация и технический мониторинг активов

• Дистанционное обследование трасс нефте и газопроводов

• Сравнительные таблицы отведенных и реально используемых земель

• Кадастровые планы коридоров коммуникаций и карьеров

• Инвентаризация и паспортизация объектов трубопроводной инфраструктуры

• Управление рисками использования активов

• Управление инфраструктурными активами нефтегазового комплекса.

Все полученные данные в результате работ объединяются в геоинформационные системы (ГИС). ГИС технологии позволяют эффективного управлять активами, технологическими процессами добычи, транспортировки и реализации нефти и газа, позволяют заложить единую информационную основу для проектно-изыскательских и строительных работ.

Области применения ГИС:

• Построение географических моделей месторождений

• Создание и обновление карт обустройства месторождений, уточнения границ участков

• Точное положение активов на местности, получение атрибутики и оценка технического состояния активов

• Оценка вегетативной активности вокруг трубопроводов и мониторинг работ по плановой профилактике

• Экологический мониторинг месторождений и транспортной инфраструктуры

• Повышение экономичности и эффективности работ по обслуживанию и ремонту

• Контроль за подрядными организациями по осуществлению строительства и ремонтов.

Сканер выполняет до 100 000 измерений в секунду на скорости 100-150 км/ч. Производительность – до 3000 км² в день. Точность – около 15 см при высоте полета 300-400 м. Разрешение аэрофото 7-12 см. По результатам совместной обработки точек и ортофото (в интерактивном режиме) возможно построение трёхмерных моделей домов, сооружений, и тому подобных объектов. Итоговый результат представляется в виде CAD-объектов.

Получаемое импульсным наземным лазером облако точек ориентируется в пространстве по данным GPS. По точкам производится построение CAD-объектов с точностью чертежей до 1:50 - 1:500 и выше. Производительность наземного сканирования до 10км2 в сутки одной бригадой (3 человека). Сканирование и обработка данных по одной компрессорной станции возможны в течение 60-90 дней.

Д. т.н., профессор в своём выступлении отметил:

1. В связи с началом строительства магистральных трубопроводов высокого давления 12-14 МПа возникла проблема: возможна ли укладка толстостенных трубопроводов по естественному рельефу местности в рамках соблюдения радиуса упругого изгиба.

2. Для ответа на этот вопрос вместе с доктором технических наук из Владимиром Петровичем Чернием провели специальное исследование.

Для определения высотного положения трубопровода, сопряжённого с отметками поверхности грунта на основе аэрокосмических электронных топокарт, трёхмерных моделей рельефа с помощью программы Terra Model были построены характерные профили трасс и определены усреднённые радиусы для вогнутых и выпуклых кривых.

3. По международным методам ASME В31.8 рассчитали толщины труб диаметром мм для трёх классов безопасности из стали Х70 и Х80 на давление до 15 МПа.

Например: для труб 1420 мм для класса безопасности «высокий» толщина стенки для стали Х70 составила 44 мм с массой 12-метровой трубы 18 т, а для стали Х80 38,7 мм и 15,7 т. Такие трубы по внешнему виду напоминают орудийные стволы с большой жёсткостью. Однако, проведенные расчёты и анализ выражений определения массы и изгибной жёсткости сечения плети трубопровода показали, что для одного и того же диаметра трубопровода эти параметры увеличиваются в одинаковой пропорции с толщиной стенки, т. е. в одинаковой пропорции с ростом расчётного внутреннего давления.

Было показано, что укладка плетей из труб высокого давления с новыми параметрами толщины стенки реальна в рамках принятого радиуса упругого изгиба трубопроводов. При этом проверка укладки трубопровода на полученных по аэрокосмической технологии виртуальных профилях местности не потребует дополнительных земляных работ по планировке трассы, возведения эстакад, тоннелей, спрямляющих естественную кривизну поверхности, удорожающих строительство. Полученный вывод был принципиально важен для оценки эффективности трубопроводов высокого давления.

4. В 80-х годах, когда был назначен соруководителем Межгосударственной научно-технической программы СССР-США по экологии, американские коллеги из Фербенкского университета на Аляске подарили мне карту магистральных трубопроводов Советского Союза, составленную по данным космических съёмок нашей территории с американских спутников. Карту показал Борису Евдокимовичу Щербине, а он отнёс её Алексею Николаевичу Косыгину. Карту мне не вернули. С тех пор прошло много времени. Аэрокосмические технологии получили развитие. Но это не нашло должного отражения в нормативной документации по проектированию и строительству трубопроводов. В последние годы познакомился с десятками проектов стандартов, сводов технологических правил, специальных технических условий на проектирование, в том числе Сахалинских проектов, КТК, составляемых с участием зарубежных компаний. Но в них даже для изыскания трасс трубопровода не было рекомендаций по использованию материалов аэрокосмических съёмок. По лазерному сканированию есть упоминание только в стандарте предприятия «Магистральные газопроводы 2008г.». Но в принятом в прошлом году в качестве национального стандарта по проектированию и строительству морских трубопроводов норвежском стандарте DNV о использовании материалов космической съёмки и лазерного сканирования ничего не сказано. Это, конечно, не означает, что лазерные технологии не применялись на наших стройках. Они применялись, например, при блочно-модульном строительстве берегового комплекса подготовки нефти в Чайво (проект «Сахалин 1») из блоков массой 1700 т, изготовленных в США и Южной Корее. При сборке 60-ти модулей на свайном основании лазерное сканирование обеспечило почти идеальное совмещение. Из 1800 сварных стыков присоединений пришлось ремонтировать всего 10 стыков.

В новых национальных стандартах, сводах технологических правил по трубопроводному транспорту космические технологии и лазерное сканирование, как элементы повышения надёжности и безопасности сооружений должны быть обязательно использованы.

Д. т.н., профессор ():

Говорим о применении лазерного и компьютерного сканирования, но упускаем важный момент: для каждой трассы должна быть построена кривая риска отказов. Статистика показывает, что отказы происходят, следовательно, их надо прогнозировать.

делал анализ рисков для трассы трубопровода ВСТО для «Транснефть». По первому варианту трасса проходила вдоль железнодорожной линии, вдоль озера Байкал. Близость к озеру создавала определённые риски попадания содержимого трубопровода в озеро. По второму - трасса трубопровода была смещена значительно севернее, в результате чего она удлинилась на триста километров. Когда просчитали степень риска, она оказалась такой же. То есть получилось только удорожание строительства. Поэтому надо в нормативную базу ввести обязательный расчёт рисков и прогнозирование потерь, а это лучше делать с использованием аэрокосмических технологий.

( Старстрой-Инжиниринг»):

Речь идёт о предпроектной стадии, на стадии ТЭО и разработки проектной документации. Но в нормативных документах, на основе которых разрабатывается документация, например, написано: должно быть пробурены 3 скважины на километр, значит - они должны быть пробурены.

Сегодня трубопроводные системы прокладываются в основном на Крайнем севере – там рельеф простой и понятный. Поэтому в применении вышеуказанных технологий необходимости в предпроектной стадии нет. Другое дело - проектная стадия. Там эти технологии могут быть эффективны. Но когда сдаёшь проект на экспертизу, его сверяют со старыми нормами.

К. т.н. ():

Хочу поддержать применение новых технологий, но речь в основном всё-таки идёт о предпроектной стадии, об эксплуатации трубопроводов. В настоящее время мы имеем трубопроводы, по которым транспортируются гигантские объёмы углеводородов ещё и под повышенным давлением, т. е. совершенно новые категории трубопроводов. В Европе трансевропейской системе трубопроводов обеспечивается безопасность, исключены риски. Аналогично должно быть и у нас. Аэромониторинг и другие технологии заранее должны определять пороговые дефекты, которые устраняются планово, чтобы заранее предотвратить аварию. Эти методики направлены на безопасность.

Д. т.н., проф. ( мониторинг и технологии»):

Компания «Аэрокосмический мониторинг и технологии» разработала и в течение последних 5 лет применяет на объектах и железные дороги» технологию геотехнической диагностики с использованием космической съёмки.

На основе этой технологии решаются следующие задачи:

· определение действительного положения газонефтепроводов, мониторинг геодинамических процессов;

· контроль ремонтных работ;

· контроль выполнения строительных работ;

· формирование информационной геопространственной модели данных, включающей результаты геотехнической диагностики, электрометрии и внутритрубной диагностики, что даёт возможность в комплексе определить потенциально опасные участки.

В заключение дискуссии председатель Совета д. т.н., проф. отметил:

Созданная в СССР нормативно-техническая документация по нефтегазовому строительству и её высокий научно-технический уровень отвечали мировым стандартам того времени. Новые сложные проекты морских и сухопутных трубопроводных магистралей требуют для своей реализации обновления нормативной базы.

Обновление, модернизация действующей нормативной базы и разработка новых стандартов, технических регламентов, сводов технических правил в области нефтегазового строительства должно осуществляться на основе обобщения огромного практического опыта строительства трубопроводных систем, обустройства промыслов Советского Союза и России, новых научных достижений академической и прикладной (отраслевой) науки, последних технических разработок.

С этой целью мы решили на Проблемном Совете посмотреть, как продвинулись отдельные научно-технические направления, для отражения их в нормативной документации. Сегодня обсудили на Совете космические и лазерные технологии применительно к использованию в нефтегазостроительной практике.

Можно констатировать, что, несмотря на известные успехи в совершенствовании космических технологий и лазерного сканирования, в практике проектирования и строительства нефтегазовых объектов они не получили достойного применения. Как показало обсуждение, одна из причин такого положения - эти технологии практически не получили должного отражения в нормативной документации. Следует более широко использовать эти прогрессивные технологии при модернизации действующих нормативов и разработке нового национального стандарта по организации и технологии производства строительно-монтажных работ при сооружении магистральных трубопроводов.

Заслушав доклады генерального директора -С» к. т.н. ёнова «Опыт применения аэрокосмических и кибернетических технологий в сооружении нефтегазовых объектов», к. т.н. , () «Лазерное сканирование для нефтегазоаого строительства» и сообщения д. т.н., проф. (), к. т.н. ( Старстрой-Инжиниринг»), к. т.н. (), д. т.н., проф. ( мониторинг и технологии»), д. т.н., проф. (РОССНГС) Проблемный научно-технический совет принял решение:

1. Отметить последние достижения в разработке геоинформационных технологий с интегрированием в них аэрокосмической съёмки и результатов лазерного сканирования с целью обеспечения получения трёхмерных моделей рельефа и ландшафта местности. Использование электронных топокарт, трёхмерных моделей лазерного сканирования позволяет:

–создавать крупномасштабные пространственные модели для автоматизированного проектирования объектов строительства, рабочего проектирования, для разработки ПОС и ППР с определением объёмов работ,

–осуществлять поиск и инвентаризацию месторождений строительных материалов (песок, гравий, щебень),

–делать оценку влияния проекта при его реализации на окружающую среду, определять расчётный уровень риска долговременной эксплуатации объекта.

Современные геоинформационные технологии не получили должного отражения в нормативно-технической документации по проектированию и строительству нефтегазовых объектов.

2. Рекомендовать:

- , «Транснефть», нефтяным компаниям, СРО нефтегазостроительного профиля при разработке технических регламентов, национальных стандартов, стандартов предприятий и сводов технологических правил использовать возможности аэрокосмических съёмок и лазерного сканирования,

- СРО «Нефтегазстрой», при разработке национального стандарта по организации и технологии производства строительно-монтажных работ при сооружении магистральных трубопроводов использовать для определения нормативов для рабочего проектирования, ПОС, ППР возможности современных геоинформационных технологий, аэрокосмических съёмок и лазерного сканирования,

- «Научно-техническому и производственному журналу нефтегазового строительства» и журналу «Трубопроводный транспорт» опубликовать настоящее решение Проблемного научно-технического Совета РОССНГС и серию статей по использованию современных геоинформационных технологий при сооружении нефтегазовых объектов.

Председатель Проблемного научно - технического Совета Президент Российского Союза Нефтегазостроителей д. т.н. проф.