Космический радарный мониторинг смещений земной поверхности над нефтегазовым месторождением тенгиз

      Комментарии к записи Космический радарный мониторинг смещений земной поверхности над нефтегазовым месторождением тенгиз отключены

Космический радарный мониторинг смещений земной поверхности над нефтегазовым месторождением тенгиз

Ж. Ш. Жантаев, А. Г. Фремд, А. В. Иванчукова, С. М. Нуракынов, А. А. Калдыбаев, Ю. И. Кантемиров, С. Э. Никифоров

Введение

В настоящей статье рассматриваются вопросы космического радарного интерферометрического мониторинга вертикальных смещений земной поверхности над разрабатываемым нефтегазовым месторождением Тенгиз (Республика Казахстан).

Тенгиз — это наибольшее по запасам месторождение Казахстана, открытое в 1979 г. и расположенное в Прикаспийской нефтегазовой провинции в 160 км к юго-востоку от г. Атырау (бывший Гурьев). Продуктивные горизонты находятся в промежутке глубин 3,8–5,4 км от земной поверхности. Значительной изюминкой залежи есть наличие в ней громадного количества сероводорода, находящегося под очень-большим пластовым давлением.

Резервуар представлен сложно выстроенным карбонатно-трещинным либо трещинно-пустотным коллектором и соляным флюидоупором. Особенность строения резервуара в наличии отдельных гидроблоков, связь между которыми затруднена либо отсутствует;

Очень-большое пластовое давление, сложное геологическое строение, и большой срок эксплуатации месторождения с неизменно нарастающими количествами извлекаемой нефти дают основание предполагать вероятных просадках техногенного происхождения. Что и послужило основанием с целью проведения данного изучения

В статье приводится пример интерферометрической обработки конкретной пары радарных снимков спутника Космического агентства ЕС (ESA) ENVISAT/ASAR от 23.11.2005 г. и 28.11.2007 г., иллюстрирующий методику интерферометрического обнаружения вертикальных смещений земной поверхности и, например, численной их оценки.

Кроме этого приводятся результаты настоящего проекта по обнаружению смещений земной поверхности над месторождением Тенгиз, случившихся с 2004 по 2010 гг., по итогам применения методики SBas к данным 33-проходной цепочки радарных снимков ENVISAT/ASAR и 12-проходной цепочки радарных снимков японского спутника ALOS/PALSAR. Обработка выполнялась в программном комплексе SARscape.

Обработка отдельной пары снимков ENVISAT/ASAR

Для иллюстрации разработки интерферометрической обработки радарных снимков разглядим ее на конкретном примере одной из пар снимков ENVISAT/ASAR месторождения Тенгиз (снимки от 23.11.2005 г. и 28.11.2007 г.).

Предварительная оценка качества интерферометрической пары средствами функции Baseline estimation модуля SARscape Interferometry показывает (рис. 1), что перпендикулярная составляющая базисной линии около 17 м, что для спутника ENVISAT/ASAR есть весьма маленькой. Вместимость топографического интерференционного цикла (2PI Ambiguity height) образовывает 530 м, что многократно превосходят настоящий перепад высот на этом месте, а следовательно, фаза смещений земной поверхности существенно преобладает над фазой рельефа.

Как раз исходя из этого эта пара снимков была выбрана для демонстрации возможностей способа. Отличие положений доплеровского центроида кроме этого незначительна (22 Гц при критической величине 1652 Гц), и исходя из этого ее влияние минимально.

Рис. 1. Оценка главных параметров пары снимков ENVISAT/ASAR от 23.11.2005 г. и 28.11.2007 г.

Первым шагом интерферометрической обработки есть  совмещение главного и вспомогательного радарных изображений интерферометрической пары в автоматическом режиме. При пары с малой базисной линии данный ход лучше делать без участия цифровой модели рельефа (ЦМР). Совмещение в SARscape выполняется в автоматическом режиме на протяжении процедуры Interferogramm Generation Without DEM модуля SARscape Interferometry в три этапа:

  1. Совмещение с пиксельной точностью по орбитальным параметрам.
  2. Уточнение сдвига одного снимка довольно другого с субпиксельной точностью с применением нерегулярной сетки окон, характеризующихся корреляцией амплитуд выше заданного порога.
  3. Уточнение сдвига одного снимка довольно другого с применением нерегулярной сетки окон, в которых рассчитываются когерентности фаз этих снимков (в расчет идут значения сдвига, вычисленные по окнам у которых соотношение «сигнал-шум», рассчитываемое с учетом когерентности, выше заданного порога). На данном этапе достигается точность корегистрации снимков до 1/100 пикселя.

Совмещение двух снимков прошло удачно в автоматическом режиме, по окончании чего, в рамках данной же процедуры Interferogramm Generation был выполнен второй ход — расчет комплексной интерферограммы, являющейся результатом комплексного поэлементного перемножения фаз радарных снимков пары. Интерферограмма продемонстрирована на рис. 2.

Рис. 2. Комплексная интерферограмма, вычисленная по паре радарных снимков от 23.11.2005 г. и 28.11.2007 г.

Комплексная интерферограмма в общем случае содержит в себе пара компонентов: фазу рельефа, фазу смещений, атмосферные артефакты, фазовый шум.

В нашем случае фаза рельефа хоть и незначительна (из-за малой базисной линии и из-за не сильно выраженного рельефа территории), но, однако ее нужно удалить из интерферограммы. Это делается на следующем шаге интерферометрической обработки посредством процедуры Interferogramm Flattening модуля SARscape Interferometry.

В рамках данной процедуры выполняется разделение топографического и деформационного компонентов фазы за счет синтеза фазы рельефа посредством имеющейся ЦМР, в качестве которой авторами употреблялась ЦМР SRTM. Главным выходным файлом данной процедуры есть дифференциальная интерферограмма, воображающая собой итог вычитания синтезированной фазы рельефа из комплексной интерферограммы. Дифференциальная интерферограмма для обрабатываемой пары снимков продемонстрирована на рис. 3.

Рис. 3. Дифференциальная интерферограмма, вычисленная по паре радарных снимков от 23.11.2005 г. и 28.11.2007 г.

Дифференциальная интерферограмма содержит в себе компоненту и компоненту смещений фазового шума. Дабы уменьшить уровень шума, выполняется адаптивная фильтрация дифференциальной интерферограммы. На фильтрованной дифференциальной интерферограмме, продемонстрированной на рис.

4, прекрасно заметны два концентрических интерференционных цикла (так называемых фринга), отражающих смещения земной поверхности за период между 2005 и 2007 гг. Любой фринг соответствует смещениям, равным половине длины волны радиолокатора ENVISAT (протяженность волны — 5,5 см, добрая половина длины волны — 2,75 см). Тёмным квадратом на рис.

4 обведена    мульда оседаний земной поверхности над месторождением Тенгиз (один интерференционный цикл соответствует смещениям земной поверхности, равным половине длины волны радиолокатора, т.е. 2,75 см). На рисунке четко наблюдаются два концентрических интерференционных цикла (т.е. смещения до 5,5 см за период в 2 года с 2005 до 2007).

Рис. 4. Фильтрованная дифференциальная интерферограмма, вычисленная по паре радарных снимков от 23.11.2005 г. и 28.11.2007 г.

Фаза на дифференциальной интерферограмме имеет периодическую природу, и между соседними фрингами существует разрыв фазы (см. рис. 5). Чтобы получить постоянную фазу – нужно выполнить процедуру ее развертки. На рис.

6 продемонстрирована развернутая фаза на тот же участок, что и на рис. 5. Скачок (разрыв) фазы на границе фрингов устранен. Участки тёмного цвета – зашумленные территории интерферограммы для которых фаза не разворачивалась (в будущем расчете смещений эти точки не участвуют).

Рис. 5. Иллюстрация периодической ее разрывов и природы фазы на границе интерференционных циклов

Рис. 6. Развернутая фаза на тот же участок, что и на рис. 9

На рис. 7 продемонстрирована развернутая фаза на целый обрабатываемый участок.

Рис. 7. Развернутая фаза в псевдоцветах на целый обрабатываемый участок

Потом, развернутая фаза с применением нескольких контрольных точек, забранных с ЦМР SRTM для коррекции орбиты, была преобразована в смещения в миллиметрах. Модель смещений на целый обрабатываемый участок месторождения Тенгиз и прилегающих территорий продемонстрирована на рис. 8.

Рис. 8. Геокодированная карта вертикальных смещений земной поверхности за период с 23.11.2005 г. по 28.11.2007 г., с изолиниями смещений, совершёнными через 10 мм. Красный цвет — оседания, зеленый цвет — поднятия. Оседания максимально достигают 7,5 см за два года

Выше был приведен пример обработки одной из вероятных пар снимков 33-проходной цепочки. Но, обработка одной пары снимков не есть статистически представительным результатом. Чтобы с уверенностью картировать смещения, нужна обработка многих пар снимков, а также, перекрещивающихся во времени, дабы смещения, случившиеся за определенный промежуток времени, оценивались не по одной, а по нескольким (либо многим) парам снимков, охватывающих этот промежуток.

Исходя из этого с той же последовательностью действий, как была обработана пара снимков от 23.11.2005 г. и 28.11.2007 г., были обработаны 60 вторых пар данной 33-проходной цепочки, отобранные по принципу мельчайших базисных линий в соответствии с способом SBas [1]. Их обработка обрисована в следующем подразделе.

Обработка 33-проходной цепочки ENVISAT ASAR СПОСОБОМ SBAS

Из снимков 33-проходной цепочки возможно составить всего 528 свободных пар (33 х 32 / 2). Потому, что к смещениям земной поверхности самый чувствительны интерферометрические пары, характеризующиеся малыми перпендикулярными компонентами базисных линий, логично отобрать как раз их для предстоящей обработки.

Исходя из статистического распределения базисных линий данной конкретной цепочки, и из опыта авторов, для отбора пар для предстоящей обработки был установлен порог базисных линий — до 30% от критической базисной. Помимо этого, дабы избежать выбора пар с сильной временной декорреляцией было установлено большое значение временной базы в 365 дней.

Выяснив эти исходные параметры, была выполнена интерферометрическая обработка 33-проходной цепочки данных ENVISAT по способу малых базисных линий (SBas), реализованному в программном комплексе SARscape в модуле Interferogramm Stacking. Как раз обработка по этому способу была выбрана для получения основного результата согласно данным ENVISAT за 2004–2009 гг., в частности, для статистически выверенной оценки смещений земной поверхности над месторождением Тенгиз, случившихся за разглядываемый период.

Сперва с вышеуказанными параметрами была применена функция Connection Grapgh модуля Interferogramm Stacking. Результатом явились 60 из 528 теоретически вероятных пар снимков. Схематически выбранные 60 пар снимков в координатах «время — базисная линия» приведены на рис.

9. Как видно из рисунка, большинство разглядываемого периода (с 2004 по 2009 гг.) анализируется по итогам обработки не одной, а нескольких пар, что существенно увеличивает достоверность приобретаемых результатов. В частности, при одновременной обработке нескольких пар вклад реально закономерно происходящих динамических процессов земной поверхности возрастает, а роль случайных и не закономерных во времени факторов, воздействующих на интерферометрическую фазу, таких как воздух, электромагнитные шумы, осадки и т. д. — очень сильно падает.

Рис. 9. Иллюстрация пар снимков 33-проходной цепочки ENVISAT, выбранных по принципу малых базисных линий. По оси Х — время в днях (первый по порядку снимок принят за ноль). По оси Y — базисные линии в метрах (символы + и – означают отклонение вправо и влево от маршрута спутника ENVISAT)

Потом обработка всех этих выбранных пар велась в той же последовательности, что и обработка пары от 23.11.2005 г. и 28.11.2007 г., детально рассмотренная выше. Авторы вычисляют излишним приводить все промежуточные результаты по каждой из 60 пар, потому, что последовательность их обработки всецело аналогична. Приведем все же на рис.

10 пара фильтрованных дифференциальных интерферограмм, отражающих смещения земной поверхности за различные периоды, для иллюстрации того, что мульда оседаний, распознанная по паре от 23.11.2005 г. и 28.11.2007, прекрасно заметна кроме этого и на вторых интерферограммах разбираемой 33-проходной цепочки за разные временные периоды. Полные значения смещений по дифференциальным интерферограммам возможно оценить исходя из количества интерференционных циклов (фрингов) либо их долей на этих интерферограммах, потому, что полный интерференционный цикл на них соответствует смещениям, равным 2,75 см, т. е. половине длины волны радиолокатора ENVISAT.

Рис. 10. Пара типовых фильтрованных дифференциальных интерферограмм, вычисленных по парам снимков ENVISAT 33-проходной цепочки с малыми базисными линиями

Для математического вычисления динамики смещений за 2004–2009 гг. из вычисленных 60 интерферограмм ENVISAT был применен метод SBas Inversion, реализованный в модуле SARscape Interferogramm Stacking. Этот метод подразумевает восстановление последовательной во времени динамики смещений земной поверхности по итогам совместной обработки перекрестных во времени интерферометрических пар снимков.

На выходе данной процедуры генерируются модели вертикальных смещений земной поверхности на каждую дату съемки (поставляются в электронном виде в растровом формате ENVI), результирующая модель вертикальных смещений за целый модель и период наблюдений среднегодовой скорости вертикальных смещений. Помимо этого, генерируется точечный векторный файл постоянных рассеивателей радарного сигнала (в атрибутах каждой точки записаны смещения на каждую дату съемки).

Результирующая модель смещений земной поверхности над месторождением Тенгиз за период с 2004 по 2009 гг. в цветовом кодировании представлена на рис. 11. Мульда оседаний над месторождением Тенгиз в среде Гугл Earth продемонстрирована на рис. 12. Графики оседаний в миллиметрах для нескольких типовых точек – постоянных рассеивателей радарного сигнала, расположенных в самом центре зарегистрированной мульды оседаний, продемонстрированы на рис. 13.

Модель среднегодовой скорости смещений земной поверхности над месторождением Тенгиз за период с 2004 по 2009 гг. продемонстрирована на рис. 14.

Рис. 11. Результирующая модель вертикальных смещений земной поверхности над месторождением Тенгиз за период с 2004 по 2009 годы в цветовом кодировании.

Зеленый цвет — поднятия, красный цвет — оседания. Изолинии смещений подписаны в миллиметрах («+» — поднятия, «-» — оседания)

Рис. 12. Мульда оседания земной поверхности над месторождением Тенгиз за период с 2004 по 2009 г., зарегистрированная согласно данным ENVISAT, отображенная в среде Гугл Earth

Рис. 13. Графики оседаний в миллиметрах для нескольких типовых точек — постоянных рассеивателей радарного сигнала, расположенных в самом центре зарегистрированной мульды оседаний. По оси Х — даты, по оси Y — смещения в миллиметрах, символ «-» свидетельствует перемещение вниз (оседание)

Рис. 14. Модель среднегодовых скоростей вертикальных смещений земной поверхности над месторождением Тенгиз за период с 2004 по 2009 г.

Анализ взятых результатов

Анализ результатов мониторинга смещений земной поверхности, случившихся над месторождением Тенгиз с 2004 по 2009 гг. и зарегистрированных на протяжении интерферометрической обработки радарных данных ENVISAT, продемонстрировал наличие ускоряющихся во времени оседаний земной поверхности над районом активной добычи углеводородов из этого месторождения. Скорость оседаний в центре главной зарегистрированной мульды достигает 30 мм в год. На момент окончания разбираемой цепочки данных ENVISAT (финиш 2009 г.) западная граница мульды (нулевая изолиния смещений) не достигла береговой линии но движется по направлению к ней.

Если сравнивать с разбираемыми в рамках статьи данными ENVISAT за 2004-2009 год в итогах согласно данным ALOS за 2007–2010 гг. проявились следующие главные изюминки (рис. 15):

  • Западная граница главной мульды оседаний сместилась в сторону береговой линии и достигла ее финишу 2010 г.
  • Сформировалась еще одна мульда оседаний земной поверхности — к северо-востоку от первой.
  • Показался локальный участок поднятий земной поверхности на северной окраине главной мульды оседаний — недалеко от сооружений завода по очистке от сероводорода (быть может, это фальшивые поднятия, вызванные трансформацией высот сооружений складирования серы, которая откладывается слой за слоем открытым методом).

Рис. 15. Главные изюминки дешифрируемые на результирующей модели смещений земной поверхности согласно данным ALOS за 2007-2010 гг.: главная мульда оседаний земной поверхности и новая формирующаяся мульда оседаний (тёмные круги), и локальный участок поднятий (белый круг)

Сопоставительный анализ результирующей карты смещений с геологическими данными продемонстрировал (рис. 16), что:

  • Главная зарегистрированная мульда оседаний земной поверхности сходится с контуром месторождения Тенгиз на глубине 5 км.
  • В северо-западной части мульды — недалеко от геологического разлома — смещения более интенсивные, чем в юго-восточной ее части, что иллюстрирует продольный профиль смещений на рис. 15.
  • Вторая – маленькая – мульда оседаний, появившаяся с 2009 по 2010 гг. к северо-востоку от первой – главной – мульды оседаний, приурочена к узлу пересечения двух больших геологических разломов.

Рис. 16. Сопоставление карты смещений земной поверхности над месторождением Тенгиз (слева) с контуром месторождения на глубине 5 км (тёмный контур) и геологическими разломами (фиолетовые линии).

зелёный пунктир и Красный — продольный и поперечный профили мульды оседаний. Справа — смещения по продольному и поперечному профилям мульды смещений

Для регулярного мониторинга зарегистрированных по архивным спутниковым данным деформаций и техногенных смещений, локально усиленных природными геологическими обстоятельствами, авторы советуют запланировать целевую многопроходную радарную съемку с выдерживаемым временным промежутком (до 8 раз в тридцать дней) и с значительно более высоким пространственным разрешением (до 1 м). Наилучшим образом для данной задачи, согласно точки зрения авторов, подходит итальянская спутниковая радарная группировка COSMO-SkyMed 1-4.

Эти этих вероятных съемок смогут быть кроме этого обработаны экспертами компании «Совзонд». Помимо этого, компания «Совзонд» может поставить программный продукт SARscape по обработке радарных данных, осуществить обучение работе в этом программном продукте, и проконсультировать и внедрить технологии наблюдений за смещениями земной поверхности с применением радарных данных на базе клиента.

Предстоящее наблюдение за оседаниями земной поверхности нужно, дабы не допустить вероятное неожиданное подтопление объектов наземной инфраструктуры добычи углеводородов, потому, что четко зафиксировано развитие мульды оседаний на запад – к побережью Каспийского моря.

Перечень литературы: 

  1. Richards: «A Beginner’s: Guide to Interferometric SAR Concepts and Signal Processing». IEEE Aerospace and Electronic, Vol. 22, No. 9, September 2007;
  2. Ferretti, C. Prati and F. Rocca: «Nonlinear subsidence rate estimation using permanent scatterers in differential SAR interferometry». Geoscience and Remote Sensing, IEEE Transactions on, vol. 38, no. 5, Part 1, Sept. 2000, pp. 2202 – 2212;
  3. Ferretti, C. Prati and F. Rocca: «Permanent scatterers in SAR interferometry». Geoscience and Remote Sensing, IEEE Transactions on, vol. 39, no. 1, Jan. 2001, pp. 8 – 20;
  4. Hooper, H. Zebker, P. Segall, and B. Kampes: «A new method for measuring deformation on volcanoes and other non-urban areas using InSAR persistent scatterers». Geophysical Research Letters, vol. 31, December 2004;
  5. Berardino, G. Fornaro, R. Lanari, E. Sansosti: «A new algorithm for surface deformation monitoring based on Small Baseline differential SAR Interferometry». IEEE Aerospace and Electronic, Vol. 40, No. 11, November 2002.
  6. Михайлов И. М. Строение нефтяной залежи месторождения Тенгиз согласно данным геофлюидодинамики. Геология нефти и газа, 1990, № 2.

В результате смещения оси планеты!! Разворот планеты Земля!


Интересные записи на сайте:

Подобранные по важим запросам, статьи по теме: