CC BY
46
УДК 624.131.4
АВТОМАТИЗАЦИЯ ОБРАБОТКИ ДАННЫХ ЛОКАЛЬНОГО МОНИТОРИНГА НЕФТЯНОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ОХРАНЫ ВОДНЫХ РЕСУРСОВ
А.С. Чепрасова*, К.К. Кузеванов
Томский политехнический университет *ОАО «НК Роснефть», г. Москва E-mail: cheprasas@mail.ru
Охарактеризованы условия ликвидации нефтяного загрязнения грунтовых вод на примере Черноморского побережья. Разработан и апробирован алгоритм обработки данных мониторинга с использованием геоинформационных технологий и численного моделирования.
Ключевые слова:
Мониторинг, математическая модель, подземные воды, граничные условия, мощность нефтепродуктов.
Key words:
Monitoring, mathematical model, groundwater, boundary conditions, oil capacity.
Проблема изменения геологической среды под влиянием техногенеза является наиболее актуальной для осваиваемых территорий. Под воздействием инженерных сетей и сооружений различного назначения происходит существенная перестройка природных связей, которая в промышленных центрах может приводить к необратимым последствиям [1].
Район исследований находится в приустьевой части речной долины на Черноморском побережье. Сеть предприятий нефтекомплекса, расположенных на берегах речной долины, существует с тридцатых годов прошлого столетия. Одновременно с развитием промышленных предприятий на поверхности грунтовых вод образовалось скопление нефтепродуктов. Оно вытянуто вдоль реки. Ориентировочная его длина достигает 500 м, ширина изменяется от 80 до 250 м, мощность нефтепродуктов достигает 1,5 м (по состоянию на 90-е гг. прошлого века). Масштабы линзы требуют проведения специальных мероприятий по локализации и ликвидации нефтяного загрязнения. Острота экологических проблем усиливается близостью русла реки и морского побережья.
Характеристика природных условий
Рельеф территории низкогорный и среднегорный сильно расчленённый с абсолютными отметками горных вершин 200...1000 м. Глубина эрозионного расчленения рельефа значительна. У берега моря превышение водораздельных гребней над днищем долин составляет 100.200 м, постепенно увеличиваясь до 600.800 м к верховьям.
Среднегодовая температура воздуха в районе исследований равна плюс 13,4 °С. Наиболее низкие температуры воздуха бывают в январе. Cреднемесячная температура этого месяца составляет плюс 4,4 °С. В течение зимы отмечаются лишь отдельные морозные дни с отрицательной средней температурой. Днем температура воздуха повышается до 7.9 °С.
Чепрасова Анна Сергеевна,
инженер ОАО «НК Роснефть», г. Москва.
E-mail: cheprasas@mail.ru Область научных интересов: прикладная гидрогеология и гидрогеоэкология, проблемы загрязнения морских акваторий. Кузеванов Константин
Константинович, аспирант кафедры гидрогеологии,
инженерной геологии и гидрогеоэкологии Института природных ресурсов ТПУ.
E-mail: kki@tpu.ru
Область научных интересов:
гидрогеология,
геоинформационные системы, математическое моделирование гидрогеологических процессов.
Средняя годовая сумма осадков значительная и составляет 1264 мм. В холодный и теплый период времени выпадает, примерно, одинаковое количество осадков. Зимние осадки продолжительны, поэтому их максимум (140 мм) приходится на декабрь. Летние осадки обычно кратковременные, но иногда они принимают характер катастрофических ливней. Наиболее сухим месяцем является май (58 мм).
Расчлененный рельеф, положительная среднегодовая температура воздуха и обилие атмосферных осадков создают благоприятные условия для формирования поверхностного стока, определяя особенности уровенного режима поверхностных вод. Период высокого стояния воды в реке приходится на зимний сезон с ноября по март. В апреле уровни постепенно снижаются и к августу - октябрю достигают минимума. Амплитуда колебания уровней в течение гидрологического года обычно составляет 2,5.4 м. Поверхностный сток за многолетний период и по сезонам года крайне неравномерен.
Питание реки смешанное: подземное и дождевое с преобладанием последнего. Ход изменений поверхностного стока в целом повторяет ход уровней и характеризуется паводковыми пиками с резкими подъемами и спадами. Максимальные среднемесячные расходы реки в декабре - феврале и достигают 40.60 м3/с. Минимальные среднемесячные расходы июня - октября составляют 0,05.2,0 м3/с.
Нефтяное загрязнение образует скопление нефтепродуктов на поверхности подземных вод безнапорного водоносного горизонта, приуроченного к аллювиальным отложениям четвертичного возраста. В основании разреза залегают локально водоносные горные породы, которые рассматриваются как водоупорные, рис. 1.
Рис. 1. Схематический гидрогеологический разрез: 1) гравийно-галечниковые отложения; 2) техногенные грунты преимущественно суглинистого состава; 3) водоупорные глины; 4) эксплуатационная скважина; 5) наблюдательная скважина; 6) уровень грунтовых вод; 7) непроницаемая противофильтрационная завеса; 8) скопление нефтепродуктов.
Водоносный горизонт аллювиальных отложений речной долины имеет характер грунтового потока, направленного к устью долины.
Защитная дренажная система
Для борьбы с загрязнением подземных вод нефтепродуктами создана защитная дренажная система (ЗДС). В основу эксплуатации этого инженерного сооружения положена
идея создания искусственного режима подземных вод, способствующего локализации загрязнения с последующей его ликвидацией при откачке нефтепродуктов скважинами [2].
Путем искусственного водопонижения уровней подземных вод создается воронка депрессии по направлению продольной оси контура загрязнения. Возникает искусственный поток загрязнителя, направленный к эксплуатационным скважинам. Скопление нефтепродуктов откачивается нефтяными насосами, работающими в зоне водонефтяного контакта.
Каждая эксплуатационная скважина работает по двухнасосной схеме. Водяной насос в постоянном режиме ведет откачку грунтовых вод и создает стабильное во времени понижение их уровня. Нефтяной насос включается в работу периодически по мере накопления нефтепродуктов.
Пластовые воды возвращаются в водоносный горизонт через систему нагнетательных скважин, расположенных в северо-восточной части участка на границе зоны загрязнения. Возврат дренажных вод в безнапорный пласт создает искусственный барьер на пути распространения загрязнения с территории предприятия в сторону жилой застройки.
Наблюдения за режимом уровней подземных вод и нефтепродуктов проводятся регулярно по сети наблюдательных скважин. Данные режимных наблюдений необходимы для контроля остаточной мощности нефтепродуктов, изменения площади нефтяного загрязнения и его мощности.
Защитная дренажная система состоит из шести эксплуатационных и пяти нагнетательных скважин. Четыре эксплуатационных скважины находятся в режиме постоянного водопонижения. Две эксплуатационные скважины выполняют роль резервных. Они предназначены для кратковременной работы при возникновении угрозы проскока нефтепродуктов в обход основных скважин.
В состав комплекса инженерной защиты входит противофильтрационная шпунтовая завеса. Непроницаемая преграда заглублена на 3,5 м от поверхности и препятствует возможному поступлению нефтепродуктов в русло реки. Сеть режимных наблюдений включает более 70-и гидрогеологических скважин. В программу мониторинга входит определение глубины залегания уровня нефтепродукта и положения водонефтяного контакта. Для скважин, расположенных за контуром загрязнения фиксируется уровень подземных вод.
Комплекс регулярных режимных наблюдений является основным инструментом оценки эффективности работы защитной дренажной системы один раз в декаду. В результате накапливается огромный объем первичной информации, которая требует оперативной обработки и анализа. Обобщенные данные используются не только для контроля размеров нефтяного загрязнения, но и несут информацию, необходимую для управления режимом работы насосов, откачивающих нефтепродукты.
Интенсивный поток первичных данных и необходимость их оперативного обобщения требуют внедрения автоматизированных приемов хранения и обработки информации в электронном виде.
Обработка данных режимных наблюдений
Обработка данных мониторинга выполняется в составе мероприятий, направленных на повышение эффективности работы ЗДС по ликвидации нефтяного загрязнения. Решаются две основные задачи:
• визуализация динамики сокращения масштабов нефтяного загрязнения средствами геоинформационных систем;
• подготовка исходных данных для краткосрочных прогнозов условий работы ЗДС на основе численного моделирования.
Первая задача решается при оперативном построении карт остаточной мощности нефтяного загрязнения на выбранную дату в среде программного комплекса Surfer. Предварительная обработка данных для рисовки карт в изолиниях сопровождается созданием вспомогательного файла результатов интерполяции значений мощности по сети равномерных
точек ^гі^файл). Использование этого файла в режиме вычислений даёт возможность непосредственного расчета объема нефтяного загрязнения на поверхности грунтовых вод.
Вторая задача решается организацией запросов к электронным базам данных и формированием текстовых файлов в качестве входных параметров для постоянно действующей численной модели.
Для хранения данных режимных наблюдений организовано три самостоятельные электронные базы данных, включающие информацию по режимным, эксплуатационным и наблюдательным скважинам. Ограниченный круг решаемых задач позволил организовать информационные массивы в среде электронных таблиц М8 Ехсеї и использовать для организации запросов инструмент автофильтра. Базы данных объединяют замеры за весь период наблюдений в единую информационную структуру. Ранее данные мониторинга на предприятии накапливались в электронном виде, но в соответствии с регламентом проведения работ на скважинах, хранились в отдельных файлах на каждую дату замера. Это максимально затрудняло получение информации для ретроспективного анализа динамики нефтяного загрязнения.
Для анализа уровенного режима подземных вод по отдельным скважинам предлагается воспользоваться стандартной возможностью построения диаграмм в среде электронных таблиц. Для этого целесообразно использовать график в виде «точечной» диаграммы в сочетании с фильтрацией данных по ключевому полю «№ скв», рис. 2.
. *ис. 2. График изменения глубины залегания уровня нефтепродуктов в скважине № 2
Предложенная технология работы с базами данных по режимным наблюдениям демонстрирует гибкий инструмент визуализации, который может быть использован не только для анализа данных гидрогеологического содержания, но и для оперативного составления отчётной документации.
На рис. 3 показана таблица данных режимных наблюдений, подготовленная для вывода разновременных карт глубин залегания нефтепродуктов и водонефтяного контакта. Для идентификации карт имена столбцов включают в явном виде дату и аббревиатуру поверхности, подлежащей картированию. В названиях использованы литеры латинского алфавита для предупреждения потери информации при ее обработке.
Показанный фрагмент базы данных имеет 47 строк - по числу режимных скважин, для которых определены плановые координаты и 66 пар столбцов - по числу дат замеров уровней (нефтепродуктов и водонефтяного контакта). В строке формул приведен запрос в виде функции вертикальный просмотр (ВПР) рабочего листа MS Excel, обеспечивающей поиск значения уровня по номеру скважины и дате замера в общей базе данных.
Для использования в картографических построениях весь массив значений рабочего листа сохраняется в отдельном файле в формате, доступном для чтения в ПК Surfer. Полуавтоматическая обработка данных требует, чтобы в верхней строке располагались имена столбцов, а в первом и втором из них были размещены координаты X и Y.
J ч- і. А' '
иЭ /
Главная Вставка Разметка страницы
Calibri - 11 -
Ж К Ч А‘ а'
I- 4-А'
Шрифт
Выравнивание ^
БД_режим_2011_2_природообустр-во - Microsoft Excel Формулы Данные Рецензирование Вид
.iaj Условное форматирование ~ ^Форматировать как таблицу ~ Стили ячеек ’
_ Н X
ї) _ а х
Общий
% ООО
_j*“ Вставить -^ Удалить ж ijp®op мат ’ Ячейки
Е -
I-
л
Сортировка Найти и и фильтр ^ выделить ж Редактирование_________
-
*
А в с D Е F н ■ к U V W X - -
1 Ключ 1 № №ск[ * НП,у.е. НП_1,у.е. ВНК.у.е. ВНК_1,у.е. Дэтэ Число Месяц Год к №пп №скб X
2 258Д_39093 1 253Д 4,2 4,2 4,ЗЭ 4,ЗЭ 11.01.2007 И 1 2007 к дат 1 253Д 6411.295567 з:
3 253Д_39033 2 259Д 6,32 6,32 6,51 6,51 11.01.2007 И 1 2007 2 259Д 6534,578861 з:
4 260Д_39093 3 2 БОД 4,6 4,6 5,51 5,51 11.01.2007 и 1 2007 3 260Д 6402,447525 з: з:
5 261Д_39093 4 2Б1Д 5,14 5,14 5,62 5,52 11.01.2007 и 1 2007 4 261Д 6583,538276
6 261э ЗЭОЭЗ 5 251 = 3,91 3,91 БОДЭ 3,91 11.01.2007 и 1 2007 5 261 = 6585.897733 з: 3
7 2616 ЗЭОЭЗ 6 2Б16 4,51 4,51 5,03 5,03 11.01.2007 и 1 2007 6 2616 6589,436994
5 261б ЗЭОЭЗ 7 26ІЄ 4,17 4,17 4,2 4,2 11.01.2007 и 1 2007 7 2б1в 6598,574974 з:
Э 261г ЗЭОЭЗ В 261г 5 5 БОДЭ 5 11.01.2007 и 1 2007 И 261г г *н/д
5092 2Б2Д_39В32 1 253Д 4,04 4,04 6,06 6,06 19.01.2009 1Э 1 2009
5093 25ЭД_39332 2 259Д 6,Б9 6,69 7,19 7,19 19.01.2009 19 1 2009
5094 260Д_39532 3 2 БОД 5,32 5,32 5,97 5,97 19.01.2009 19 1 2009
5095 261Д_39332 4 2Б1Д 5,06 5,06 5,52 5,52 19.01.2009 19 1 2009
5096 261а 39532 5 251 = 3,93 3,95 бодэ 3,95 19.01.2009 19 1 2009
5097 2616 39532 6 2Б16 4,35 4,35 4,51 4,51 19.01.2009 19 1 2009
5098 261б 39332 7 26ІБ 4.15 4.15 БОДЭ 4.18 19.01.2009 19 1 2009
5099 4он 39532 9 4он 3,26 3,26 БОДЭ 3,26 19.01.2009 19 1 2009
Бен ЗЭ832 10 Бон 2,6 2,6 БОДЭ 2,6 19.01.2009 19 1 2009
5101 бон 39832 И бон 2,35 2,35 плёнка 2,35 19.01.2009 19 1 2009
5102 7он 39832 12 7он 2,Б4 2,64 4,26 4,26 19.01.2009 19 1 2009
5103 Вон 39832 13 8он 1,58 1,68 БОДЭ 1.68 19.01.2009 19 1 2009
5104 Эон 39832 14 Эон 2,99 2,99 БОДЭ 2,99 19.01.2009 19 1 2009
5105 10он 3SS32 15 10он 1,56 1,56 БОДЭ 1,56 19.01.2009 19 1 2009
5106 Ион 39S32 16 Ион 1,64 1,64 1,67 1,57 19.01.2009 19 1 2009
5107 13он 3SS32 17 13он 4,45 4,45 плёнка 4,45 19.01.2009 19 1 2009
5108 14он 3SS32 18 14он 4,35 4,35 БОДЭ 4,35 19.01.2009 19 1 2009
5109 15он 3SS32 1Э 15он 5,45 5,45 6,56 6,56 19.01.2009 19 1 2009
5110 16он 3SS32 20 1&ОН 6,3 6,3 6,43 6,43 19.01.2009 19 1 2009
5111 17он 3SS32 21 17он 2,27 2,27 БОДЭ 2,27 19.01.2009 19 1 2009
5112 20он 3SS32 22 20он 2,77 2,77 3,25 3,25 19.01.2009 19 1 2009
5113 21он 3SS32 23 21он 1,35 1,35 БОДЭ 1.35 19.01.2009 19 1 2009
5114 2Зон 39S32 24 23он 3,6 3.6 4,15 4,15 19.01.2009 19 1 2009 -
и < ► и ьд Диаграмма Выбранная дата
ДО
Готово
ІДД 77%
*+J
Рис. 3. Фрагмент базы данных режимных наблюдений в форме доступной для построения карт изолиний средствами ПК Surfer
Автоматизация достигается использованием программного модуля Scripter, входящей в состав ПК Surfer. Это инструментальное средство предназначено для автоматизации практически любых действий, которые может выполнять ПК Surfer. Для этого необходимо описать алгоритм построения карт изолиний на встроенном языке программирования Visual Basic.
Результатом автоматизированной обработки являются оперативные карты мощности скоплений нефтепродуктов, рис. 4.
Рис. 4. Рабочее окно программного модуля Scripter в режиме запуска на выполнение программного кода Script_Map4.bas
Серия разновременных карт дает возможность ретроспективного анализа динамики сокращения нефтяного загрязнения, оценки геоэкологической обстановки и позволяет более обоснованно подходить к разработке экстренных и долгосрочных природоохранных мероприятий.
В результате обработки информации одного календарного года (периода августа 2007 -августа 2008 гг.) с применением ГИС - технологий (программного модуля 8спр1ег) прослеживается динамика сокращения параметров загрязнителя. Площадь нефтепродуктов изменилась на 6 у.е., объем нефтепродуктов уменьшился на 5 у.е.
Заключительным этапом обработки исходных данных является организация запросов к электронным базам данных и формированием текстовых файлов в качестве входных параметров для постоянно действующей численной модели.
Численное моделирование гидрогеологических условий
Для оперативного прогноза изменения гидрогеологических условий и управления искусственным гидродинамическим режимом разработана постоянно действующая численная модель области фильтрации в среде программного комплекса GMS (Groundwater Modeling System), являющегося признанным стандартом в области моделирования фильтрации подземных вод.
На пространстве конечно-разностной сетки размерностью 103*38*6 расчетных ячеек воспроизведено строение водоносного комплекса аллювиальных отложений четвертичного возраста. Граничные условия области фильтрации разнородны. На юго-западе граница первого рода совпадает с контуром морского побережья. Северо-западная граница принята условно
непроницаемой и отнесена за пределы области влияния гидрогеологических скважин. Северовосточная граница имеет постоянный напор, соответствующий среднегодовым уровням грунтовых вод и совпадает с гидроизогипсой естественного потока.
Прогнозные гидродинамические задачи в соответствии с принципом суперпозиции решаются поэтапно [3]. На первом этапе моделируется уровенная поверхность двухфазного флюида в функции приведенных напоров. На шестислойной модели области фильтрации отлаживается распределение фильтрационных параметров по отношению к фильтрации подземных вод.
На втором этапе моделирование выполняется для прогноза поведения скопления нефтепродуктов под влиянием откачек. Рассматривается фильтрация нефтепродуктов к эксплуатационным скважинам по стационарной поверхности водонефтяного контакта как по водоупору. Фильтрационные параметры пересчитываются с учетом фактической плотности и вязкости нефтепродуктов.
В качестве начальных условий используются данные режимных наблюдений по запросу из электронных баз данных. Решается прогнозная задача об изменении мощности нефтепродуктов при их откачке (рис. 5). В процессе моделирования подбирается время работы насосного оборудования с таким расчетом, чтобы минимизировать мощность нефтепродуктов, но не допустить условного осушения водоносного горизонта. Осушение на модели означает подтягивание к скважине пластовых вод и прекращение откачки нефтепродуктов. Результатом численного моделирования являются рекомендации по режиму эксплуатации нефтяных насосов и заключение о необходимости ввода в работу дополнительных скважин.
0. 8500
0. 7000
0.5500
0.4000
0.2500
0.1000
-0.0500
-0.2000
-0.3500
-0.5000
-0.6500
-0.8000
-0.9500
Напоры, м
Рис. 5. Прогнозное распределение напоров в слое нефтепродуктов через 0,5 суток после запуска эксплуатационных скважин.
Выбор программного комплекса, не предназначенного для моделирования двухфазных жидкостей, в качестве основного инструмента прогноза не случаен. Необходимость моделирования фильтрации нефтепродуктов рассматривается как временная задача. После ликвидации нефтяного загрязнения численная модель будет использована для сопровождения работ по реабилитации загрязненных нефтепродуктами водовмещающих пород.
Информационное обеспечение работы ЗДС
Работы по автоматизации обработки данных мониторинга выполнены в рамках оптимизации информационного блока управления работой ЗДС (рис. 6) и направлены на повышение ее эффективности.
Рис. 6. Информационное обеспечение работы защитной дренажной системы: 1) первичная гидрогеологическая информация; 2) обработанная гидрогеологическая информация; 3) прогноз изменения гидрогеологических условий; 4) управляющие решения
Особенностью эксплуатации дренажной системы является необходимость
оптимального регулирования продолжительности работы нефтяных насосов. При
кратковременном их включении в работу снижается эффективность откачки нефтепродуктов. При чрезмерно продолжительной работе нефтяные насосы не только начинают откачивать пластовую воду, но могут способствовать оттеснению нефтепродуктов от ствола эксплуатационной скважины, препятствуя ликвидации нефтяного загрязнения.
Информационное обеспечение работы ЗДС функционирует в технологической схеме ликвидации нефтяного загрязнения на основе принципов обратной связи. Источником первичной гидрогеологической информации являются гидрогеологические наблюдательные и эксплуатационные скважины. Данные замеров уровней накапливаются в электронных базах данных. При выполнении прогнозного моделирования путем запросов к базе данных формируются начальные условия для работы численной модели области фильтрации. На основе результатов моделировании гидрогеологических условий вырабатываются варианты управляющих решений для режима эксплуатации ЗДС на ближайшую перспективу. В долгосрочной перспективе оценивается целесообразность изменения параметров наблюдательной сети. Это может быть изменение количества наблюдательных скважин или корректировка частоты и объема режимных наблюдений. По эксплуатационным и нагнетательным скважинам оценивается необходимость изменения их количества и времени работы насосного оборудования.
Оперативные прогнозы поведения скопления нефтепродуктов под влиянием откачки позволяют подобрать на численной модели наиболее оптимальный режим работы насосного оборудования с учетом особенностей гидрогеологических условий и текущего пространственного положения подпочвенных скоплений нефтепродуктов.
Выводы
1. В работе предложены методы оценки динамики площади распространения и мощности скоплений нефтепродуктов, прогноза регламента работы эксплуатационных скважин на ближайшую перспективу.
2. В созданной электронной базе данных по режимным, эксплуатационным и нагнетательным скважинам объеденены накопленные массивы разрозненных таблиц на отдельные даты регламентных работ в единую информационную структуру.
3. Оперативный прогноз остаточной мощности нефтяного загрязнения выполняется с использованием численной модели области фильтрации в дежурном режиме.
4. Процедуры автоматизации обработки данных мониторинга нефтяного загрязнения представляют собой информационный блок управления работой защитной дренажной системы.
5. Оптимизация информационного блока управления работой защитной дренажной системы способствует повышению оперативности обработки первичной гидрогеологической информации, ускоряет обмен данными со смежными подразделениями экологической службы предприятия.
6. Автоматизация обработки данных локального мониторинга нефтяного загрязнения является основой для более обоснованного планирования природоохранных мероприятий. Повышается эффективность работы защитной дренажной системы, направленной на ликвидацию нефтяного загрязнения подземных вод.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Плотников Н.И. Техногенные изменения гидрогеологических условий. - М.: Недра, 1989. -270 с.
2. Богданович А.М. Гидрогеологическое обоснование и подготовка исходных данных для проектирования ЗДС. - М.: ГИДЭК, 1998. - 219 с.
3. Гавич И.К. Теория и практика применения моделирования в гидрогеологии. - М.: Недра, 1980. - 360 с.
Поступила 22.11.2011 г.
