CC BY
59
УДК 550.838.3
Определение пространственного положения подводных трубопроводов с использованием полноградиентной магнитометрической системы
А.Н. Иваненко1*, В.В. Архипов23, В.А. Сапунов4
1 Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН, Российская Федерация, 117218, г. Москва, Нахимовский пр-т, д. 36
2 Государственный океанографический институт имени Н.Н. Зубова, Российская Федерация, 119034, г. Москва, Кропоткинский пер., д. 6
3 Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, Российская Федерация, 119991, г. Москва, Ленинские горы, д. 1
4 Уральский федеральный университет им. Б.Н. Ельцина, Российская Федерация, 620002, г. Екатеринбург, ул. Мира, д. 19
* E-mail: ivanenko.ocean@gmail.com
Ключевые слова:
магнитометрическая съемка,
полноградиентный магнитометр, высокоточное определение положения подводных трубопроводов, газопровод Бованенково - Ухта
Тезисы. В статье рассматриваются вопросы дистанционного определения пространственного положения заглубленных трубопроводов с помощью магнитной съемки. Этот метод является экономичным и не воздействует на окружающую среду. Для достижения требуемой точности позиционирования трубопроводов предложено использование полноградиентной многоканальной магнитометрической системы из четырех оверхаузовских магнитометров БеаРОБ, совмещенных с приемником прецизионной дифференциальной навигационной системы. Такая конфигурация системы позволяет с высокой точностью определять в пространстве положение локальных магнитных аномалий, создаваемых трубопроводами, и избавляет от необходимости учета темпоральной компоненты магнитного поля Земли (что особенно важно для Арктики) за счет работы с пространственными градиентами поля. Рассматриваются вопросы теории метода и методики съемки, предложены и реализованы алгоритмы обработки данных с целью решения задачи высокоточного картирования локальных магнитных аномалий, создаваемых трубопроводами, и решения обратной задачи магнитометрии по определению положения и мощности источников этих аномалий. Обсуждаются результаты морских работ летом 2015 и 2016 гг., во время которых была испытана полноградиентная магнитометрическая система и закартированы магнитные аномалии на подводном участке газопровода Бованенково - Ухта в Байдарацкой губе.
Вопросы освоения арктических запасов углеводородов являются стратегическими и поэтому приоритетными для государственной политики на современном этапе. По мере развития работ на арктическом шельфе следует ожидать существенного увеличения количества магистральных трубопроводов (МТ). По сравнению с эксплуатацией трубопроводов на суше эксплуатация подводных МТ имеет определенную специфику, поскольку их надежность и безопасность должны обеспечиваться повышенными требованиями. Это вызвано особыми условиями, такими как достаточно агрессивная морская среда, подверженность воздействию морского волнения, ветра и течений, заглубление в грунты, физико-механические характеристики которых могут изменяться в течение периода эксплуатации; при этом в арктических условиях возникают затруднения при реализации стандартного регламента мониторинга, обслуживания и ремонта, связанные с длительным ледовым периодом. Для обеспечения безопасной эксплуатации подводных МТ необходимы надежные средства, позволяющие в условиях арктического шельфа эффективно проводить дистанционные мониторинговые обследования, гарантирующие безопасную эксплуатацию подводных МТ.
В свете сказанного особое значение приобретает развитие технологий дистанционного мониторинга положения подводных заглубленных трубопроводов на основе геофизических методов, в частности геомагнитного.
Метод магнитной съемки широко используется в практике геофизических исследований и является одним из основных на этапе инженерно-изыскательских работ при проектировании и строительстве подводных объектов. Магнитная съемка
незаменима для поиска техногенного и промышленного мусора, представляющего опасность при проведении подводных работ [1, 2]. Известны случаи использования многоканальной магнитометрической системы при решении поисковых задач [3], когда требования к точности определения параметров источников магнитных аномалий существенно ниже, чем при мониторинге. Также имеется описание способа определения пространственного положения МТ с помощью буксируемой системы из вертикальных градиентометров на базе феррозондовых магнитных датчиков, совмещенных с приемником спутниковой навигационной системы [4]. Не вдаваясь в технические детали особенностей феррозондовых датчиков, отметим лишь то, что они не являются абсолютными в отличие от оверхаузовских систем и нуждаются в постоянной калибровке, поэтому не приспособлены для задач мониторинга, когда требуется многократная повторяемость измерений в течение длительного срока. Кроме того, эта система, очевидно, рассчитана на возможность определения положения трубопровода в пространстве по редким пересечениям, поскольку ее конструктивные особенности не позволяют выполнять большой объем промерных галсов, т. е. предполагает съемку и интерпретацию в профильном 2D-варианте. Такой подход может привести к значительным ошибкам определения координат источника, особенно по глубине. Ниже будет показано, что магнитные аномалии над трубопроводом в плане имеют существенно площадной характер, поэтому для корректного решения поставленной задачи необходим трехмерный подход, который естественным образом реализует полноградиентная система. В настоящей статье впервые в отечественной практике описываются методика и технология использования магнитной съемки для мониторинга пространственного положения ниток заглубленных МТ методом многоканальной полноградиентной магнитной съемки. В качестве технологического решения поставленной задачи предлагается использовать жесткую полноградиентную многоканальную магнитометрическую систему оверхау-зовских магнитометров SeaPOS, совмещенных с приемником прецизионной дифференциальной навигационной системы. Такая конфигурация позволяет с высокой точностью определять в пространстве положение локальных магнитных аномалий, создаваемых заглубленными
трубопроводами, и избавляет от необходимости учета временной составляющей магнитного поля Земли за счет работы с пространственными градиентами поля.
Авторами предложены и реализованы алгоритмы обработки многоканальных данных с целью решения задачи высокоточного картирования локальных магнитных аномалий, создаваемых трубопроводами, и их градиентов, а также способы решения обратной задачи магнитометрии по этим данным. Так, во время морских работ летом 2015 и 2016 гг. испытан прототип полноградиентной магнитометрической системы оверхаузовских магнитометров и за-картированы магнитные аномалии на подводном участке газопровода Бованенково - Ухта в Байдарацкой губе. Полученные новые данные о характере этих аномалий способствовали пониманию особенностей проявления в магнитном поле МТ и, соответственно, послужили основой для разработки вычислительных схем и алгоритмов, направленных на оценку положения этих объектов в пространстве.
Полноградиентная система оверхаузовских магниометров
Для выполнения магнитометрической съемки авторами статьи использована полноградиентная многоканальная магнитометрическая система SeaPOS, датчики которой расположены в вершинах треугольной пирамиды, по форме близкой к тетраэдру, жестко закрепленной в немагнитном каркасе на немагнитном плавучем буксируемом носителе. На носителе расположены приемная антенна JavadGrAntG3T высокоточной навигационной системы JavadSigma, которая работала в режиме кинематики реального времени (англ. RTK), и радиоантенна дифференциальных поправок (рис. 1). Регистрация данных происходила на промышленный ноутбук с помощью специализированного программного обеспечения MultiPOS.
Магнитометры серии POS (англ. proton Overhauser sensor) разработаны и серийно производятся научно-исследовательской лабораторией квантовой магнитометрии Уральского федерального университета (УрФУ), зарегистрированы в Государственном реестре средств измерений под № 44807-10 и допущены к применению в РФ в качестве средств измерений модуля магнитной индукции магнитного поля. По техническим и метрологическим
Рис. 1. Общий вид многоканального магнитометрического и навигационного комплекса, закрепленного на носителе
характеристикам они являются лучшими отечественными измерителями модуля магнитной индукции в своем классе и практически ни в чем не уступают зарубежным аналогам. База градиентометров между 1-м и 2-м датчиками составляла 100 см, между 3-м и 4-м датчиками - 150 см.
Центральной геометрической точкой системы, к которой приводились все данные, выбрана точка посередине между 3-м и 4-м датчиками, что связано в основном с удобством расчетов и обозначения. Датчики 1, 3 и 4 при синхронной работе обеспечивают измерение двух горизонтальных градиентов, а датчик 2 - вертикального. Очевидно, что для абсолютного измерения всех градиентов необходимы технические решения по синхронному с измерениями позиционированию системы по углам относительно осей координат, что не представляет в настоящее время особых затруднений. Для данной же системы очень важным является то, что модуль полного вектора градиента магнитного поля инвариантен относительно поворотов осей координат, а использованная конфигурация магнитометрической системы позволяет измерять этот модуль полного градиента непосредственно в процессе съемки. Это же относится и к вертикальному градиенту и модулю горизонтального градиента при работе в спокойную погоду. Вертикальный градиент, модуль полного («аналитический сигнал») и модуль
горизонтального градиентов магнитного поля -важные его производные и самым широким образом используются в современных алгоритмах интерпретации магнитных аномалий [5].
Совмещение магнитометрической системы и приемника высокоточной навигационной системы, работающей в режиме ЯТК, позволяет решить, пожалуй, главную методическую проблему морской магнитной съемки - обеспечить необходимую точность позиционирования измерений магнитного поля в динамике. Достигнутые дециметровые точности позиционирования измерений в пространстве и милли-секундные во времени позволяют обеспечить, как будет показано далее, проведение площадных магнитных съемок с погрешностью в доли процента от амплитуды наблюдаемых аномалий, что не имеет прецедентов в практике отечественной морской магнитометрии.
Определение девиационных погрешностей измерительного комплекса в районе работ осуществлялось 07.07.2016 и 13.07.2016. Выполнены в общей сложности 19 галсов суммарной длиной ~18 км с шагом 30 и 45° по азимуту на расстоянии приблизительно полутора миль от судна. По результатам этих работ установлено, что девиация не превышает 1,0...1,5 нТл на базу и постоянна в спокойном поле, т.е. убирается простым уравниванием градиентной съемки по уровню [6].
Методика съемки и обработки 4-канальных магнитометрических данных
Основной задачей морской магнитной съемки над МТ является картирование локальных магнитных аномалий, создаваемых этими объектами, и решение по этим аномалиям обратной задачи магнитометрии относительно положения трубопровода в пространстве. Поскольку магнитные аномалии, создаваемые металлическими, как правило, железными, техногенными объектами, обладают рядом характерных признаков - имеют локальный характер, большую амплитуду, правильную форму, они относительно легко идентифицируются и выделяются на фоне, например, аномалий геологической природы [2]. В силу слабой изученности подводных трубопроводов магнитным методом работы 2015 г. были направлены в основном на изучение свойств магнитных аномалий над трубопроводом и выработку методических правил и приемов, необходимых для решения задачи мониторинга этих объектов.
. \ ЧХЧ. \
ЧчЧЧ.Ч, ЧЧ Ч чк 'чЧ ч ЧчЧ чч ч\ ч ч ч.
\ ЧЧЧ Ч>. X <«- V
Ч Ч-'^ ""Ч
ДЧЧХЧХЧ ■ ЧГХЧ ч
ЧЧ^чЧЧ
\ 'ЧЧ>Л •■
ч, чхч
"чУ
0 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 км
- - 0
Рис. 2. Карта локальных аномалий магнитного поля (АМП) на полигоне у Ямальского берега: волнистые линии - сетка промерных галсов; на врезке - положение
трубопровода и полигона
Работы выполнены на нескольких полигонах разной глубины с межгалсовым расстоянием до 5 м на основных галсах вкрест трубы, что позволило уточнить основные параметры создаваемых трубопроводом аномалий. Для примера приведем результаты съемки на полигоне с глубиной дна 18... 19 м. Установлено, что на каждом из основных галсов отчетливо выделяются по четыре локальные аномалии разного знака, соответствующие четырем ниткам газопровода, амплитудой от минус 400 до плюс 700 нТл и шириной вдоль профиля -50 м. Аномалии имеют классическую правильную одномодальную симметричную форму и, как правило, не имеют сопряженных экстремумов. Там, где основания аномалий сливаются, их максимумы совершенно четко разделяются в аналитическом сигнале. Эти аномалии очень хорошо коррелируют между профилями в северо-восточном направлении, четко трассируя в плане положение ниток газопровода (рис. 2).
Однако после построения карт АМП уже на первом полигоне выяснилось, что аномалии над трубами носят площадной характер, т.е. не являются линейными, а состоят из цепочек знакопеременных квазиизометричных аномалий. Поэтому для решения поставленной
задачи потребуется: а) проводить площадную съемку для их картирования и б) решать задачу в 3Б-варианте. Если выполнять стандартные требования1 к морской магнитной съемке и покрывать площадь регулярной сеткой ортогональных галсов для картирования таких аномалий, метод магнитной съемки теряет экономическую целесообразность ввиду большого объема требуемых работ. Однако, как будет показано ниже, используя преимущества полноградиентной многоканальной магнитометрической системы, можно решать эту задачу с существенно меньшими затратами.
Первичная обработка магнитной съемки велась в дифференциальном варианте для каждой пары датчиков с помощью технологии, разработанной в Институте океанологии РАН им. П.П. Ширшова. Эта технология включает в себя набор методик и программных средств, позволяющих оперативно и качественно преобразовать входной поток исходных магнитных и навигационных данных в пригодный для количественной интерпретации материал [2, 7].
Программное обеспечение для обработки полученных магнитных данных, построения
См. Инструкция по морской магнитной съемке (ИМ-86). - Л.: Изд-во Главного управления навигации и океанографии МО СССР, 1986.
и анализа карт АМП и градиентов, решения прямых и обратных задач магнитометрии также является оригинальной разработкой лаборатории геофизических полей Института океанологии [7].
Расчет значения поля и градиентов gx(t), gy(t), gz(t) в начале локальной системы координат носителя по 4-канальным данным ведется по формуле
( Р ^) ^
'х (t)
V ^) ^ ^)
(1111 ^
У У 2 У3 У 4
( ) ^ )
^ ) )
(1)
где х1 ...х4, у1...у4 и z1.z4 - координаты датчиков в локальной системе координат носителя (оффсеты); Р1(t).Р4(t) - временные ряды измеренных значений поля по всем четырем каналам.
Аналитический сигнал и модуль горизонтального градиента И(Г) являются важными картирующими функциями, отмечающими в плане положение источников аномалий. Они рассчитываются как
As(t) = Т&ЙЧСО^ДО1; Н (t) = .
(2) (3)
Первый инвариантен относительно любых поворотов системы координат носителя, второй -относительно вращений в горизонтальной плоскости. Поэтому их можно рассчитывать сразу по формулам (2) и (3); последняя верна при отсутствии бортовой или килевой качки носителя, т.е. при работе в штилевую погоду. Поскольку и H(t) - тоже временные ряды и рассчитываются по 4-канальным измерениям магнитного поля до геодезической привязки измерений, мы вправе в дальнейшем называть их «измеренными». Преимущество многоканальной полноградиентной системы состоит в том, что для расчета карты, например, аналитического сигнала нет необходимости выполнять площадные трансформации (2Б-преобразование Гильберта) в случае вертикального градиента [5], как при работе с одноканальными данными.
Данные по каждому магнитному каналу очищаются от случайных сбоев (выбросов), для них рассчитываются истинные геодезические координаты на момент измерений,
в результате чего данные приобретают пространственную привязку, становятся 4-мерными. Рассчитанные по ним градиенты обозначим gx (г), gy (г), gz (г), а аналитический сигнал и модуль горизонтального градиента - А.(г) и Н (г).
Градиенты поля gx (г), gy (г), gz (г) и трансформанты поля А.(г) и Н(г) позволяют поэтапно перейти к задаче локализации и точного определения положения источников аномалий, в нашем случае - намагниченных участков трубопровода, создающих такие аномалии. Для них выполняется процедура разделения аномалий на локальные (связанные непосредственно с металлом, содержащимся в трубах газопровода) и региональные (геологической природы). Вся съемка разбита на прямолинейные отрезки (профили), для каждого цикла измерений рассчитан набор из трех ортогональных градиентов модуля вектора магнитной индукции в подвижной системе координат носителя. Эти данные являются основой для последующего расчета и картирования модуля полного градиента вектора АМП («аналитического сигнала») и модуля горизонтального градиента. В свою очередь, разделение и локализация в пространстве аномалий от разных источников позволяют перейти к применению устойчивых алгоритмов решения обратной задачи.
Пример обработанных данных, полученных на полигоне глубиной 19 м, представлен на рис. 3 и 4. Среднеквадратичное отклонение (СКО) съемки для измеренного аналитического сигнала после удаления из градиентов регионального фона и увязки составило ~ 0,5 %, СКО съемки по АМП - 0,2 %.
Поскольку общее количество аномалий над трубопроводом в Байдарацкой губе оценивается числом до 600 ед. на каждую нитку, встает острая необходимость разработки автоматизированного алгоритма для проведения массовых расчетов по всем аномалиям. В качестве первого шага в этом направлении разработана процедура автоматического выделения аномалий в аналитическом сигнале и окон-туривания в пространственной области облака аномальных точек, которые будут использованы для решения обратной задачи. Разработан и опробован специальный алгоритм автоматического определения положения источников локальных магнитных аномалий по данным полноградиентной съемки. Построена устойчивая схема определения геометрических
градиентам. На данном этапе авторы ограничились подбором источника по аналитическому сигналу, поскольку он инвариантен относительно любых поворотов локальной системы координат носителя. Для уверенного использования измеренного вектора градиента поля, особенно в неспокойную погоду, по-видимому, необходимы дополнительные технические решения, а именно синхронная, с измерениями магнитного поля и координат,
и амплитудных параметров источников аномалий для произвольно расположенных точек наблюдений, в том числе сосредоточенных на нерегулярной системе профилей. Результаты применения разработанных методик приводятся в следующем разделе.
Алгоритм позволяет локализовать в пространстве и времени облако точек, приуроченных к локальной аномалии аналитического сигнала. Как правило, для такой локальной аномалии удается хорошо подобрать эквивалентный по полю элементарный источник - монополь или диполь. Конечно, в случае занимающего большой объем объекта эта модель отражает лишь самые общие его свойства - положение верхней кромки (модель монополя) или центра магнитных масс (диполь). Однако, учитывая относительно малые размеры поперечного сечения трубопровода относительно глубины моря в Байдарацкой губе и обратный кубическому закон затухания магнитных аномалий с расстоянием, мы вправе полагать, что модели точечных источников будут достаточно адекватны. Более того, проведенные в 2015 г. расчеты по характерным аномалиям и сравнение этих результатов с данными сейсмоакусти-ки показали правильность такого подхода.
Реализованная для решения 3Б-задачи по профильным данным технология сводится к нахождению эквивалентной модели, наилучшим образом отвечающей измеренным
Рис. 3. Карта-схема графиков As( r) на полигоне
- - 40
30
У/
//
Рис. 4. Карта-схема географически привязанного и уравненного аналитического сигнала As( r) на полигоне: светлые точки - маршрут движения центра 4-датчиковой магнитометрической и навигационной системы
регистрация углов крена и тангажа с помощью инклинометров (угол рыскания достаточно надежно определяется с помощью высокоточной вР8-системы и незначителен при длинном буксировочном кабеле). Реализация данного подхода позволила бы вплотную подойти к решению задачи определения положения источников аномалий в реальном времени (с небольшим временным лагом, необходимым для определения момента выхода измерительной системы в «хвост» текущей аномалии).
Разработанный алгоритм выделения локальных аномалий в аналитическом сигнале дает возможность выбора хороших начальных приближений для оценок геометрических параметров источника. Так, пересечения ортого-налей к профилям в точках локальных максимумов ) образуют облако точек, близких в плане к центру источника. Эквивалентный радиус площади фигуры, вмещающей отрезки квантилей локальных аномалий Л^(г), принадлежащих одному кластеру, близок к глубине этого источника. Для подбора источника авторами использовалась параметрическая нелинейная оптимизация (нелинейный метод наименьших квадратов с ограничениями-неравенствами). Параметрами, подлежащими оптимизации, являются координаты, тип источника и его магнитный момент (мощность). Ограничения задаются исходя из реальных условий съемки (известны глубина дна и предельная глубина траншеи, горизонтальное отклонение также ограничено). Минимизации подвергается невязка между модельным и измеренным аналитическим сигналом. Таким образом, итерационный процесс нелинейной оптимизации стартует вблизи точки оптимума и быстро сходится.
Параллельно с нелинейной задачей оптимизации решается линейная - с помощью де-конволюции Эйлера [8]. Поскольку в решении участвуют абсолютные градиенты поля, для ее корректного использования необходима точная мгновенная привязка локальной системы координат носителя к глобальной, что пока не реализовано в испытанном авторами комплексе. Определение координат источника способом Эйлера, когда используется вектор градиента, особенно при недостатке ортогональных галсов внутри локального облака точек, остается чуть ли не единственным реальным средством «видеть» источники аномалий сбоку от профиля. Поэтому и этот способ реализован
в ограниченном варианте без учета покачивания системы в процессе съемки, что сделало алгоритм решения обратной задачи более гибким и устойчивым.
Результаты исследований
В качестве примера использования разработанного аппаратно-программного комплекса рассмотрим результаты исследований в самой глубокой части акватории Байдарацкой губы - ее центральном части. На рис. 5 приведены карта АМП на выделенной площади, характерный профиль вдоль 2-й нитки трубопровода и небольшой выделенный участок с характерной аномалией (аномалия № 29 по нумерации авторов).
На фрагменте (см. рис. 5б) отчетливо видны локальный характер аномалии, а также все три траектории движения нижних датчиков системы, по которым и строилась карта. На профиле (см. рис. 5в) отмечается четкий периодический характер аномалий с длиной волны ~160 м, такая же картина наблюдается и на карте АМП.
На рис. 6 показано, как выглядят карта, ее фрагмент и характерный профиль (см. рис. 5) в аналитическом сигнале. Сохраняется локальный характер аномалии № 29, однако на профиле и на карте картина существенно сложнее: аномалии менее регулярные и более высокочастотные (см. рис. 6б,в).
Рис. 7 иллюстрирует процесс определения положения источника аномалии способом нелинейной инверсии аналитического 3Б-сигнала. Вначале для аномалии № 29 в аналитическом сигнале выбирается область значений, превышающих заданный порог (1/3 от амплитуды локального максимума). Для выделенного облака точек измерений аналитического сигнала методом нелинейной оптимизации решается параметрическая задача поиска наилучшего набора параметров источника (его координат и мощности), минимизирующего норму невязки между измеренным и модельным сигналами. Тип источника выбирается по характерным особенностям аномалий над ним; обычно аномалии над трубопроводом имеют четкие локальные экстремумы без сопряженных экстремумов противоположного знака. Трехмерный монополь хорошо воспроизводит аномалии подобного типа, а если у аномалии наблюдаются сопряженные, противоположные по знаку и меньшей амплитуды ветви по бокам, то в качестве модельного объекта предпочтительнее выбрать диполь.
39°5,07'N 67°31,05'E
Azimuth = 42,8° 20-Jul-2016
69°5,72'N 67°32,74'E 00:25:01
1,6 1,8
Расстояние,км
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4
В
Рис. 6. Карта-схема As(r) глубокой части трассы (а), ее фрагмент - аномалия № 29 (б) и характерный профиль над 2-й ниткой трубопровода (в)
Плановое положение автоматически подобранных сингулярных источников по глубоководному участку показано на рис. 8 и 9.
СКО определения координат подобранных модельных источников выявленных аномалий
варьирутют от 0,15...0,2 до 1,0...1,2 м по всем пространственным координатам и в значительной степени зависят от расположения и густоты съемочных галсов в районе источника. Следует отметить, что работы на данном участке носили ограниченный характер
30
25
20
15
10
5
0
20
150
10
5
0
Рис. 7. Пример подбора параметров модельного источника, аналитический сигнал, нТл/м,
от которого наилучшим образом соответствует измеренному для аномалии № 29: а - фрагмент карты As( r) (см. рис. 6б) над аномалией № 29; б - поверхность измеренного
As(r) и положение точек подобранного As(r) относительно этой поверхности; в - карта подобранного As(r). Точки - отрезки съемочных галсов, по которым велись расчеты; крестик - плановое положение подобранного источника; 26,68 - глубина подобранного источника, м
по объективным причинам (неблагоприятные погодные условия) и выполненных промерных галсов (вдоль трубопровода) явно недостаточно для надежного картирования АМП и его градиентов.
***
В результате проведенных в 2015 и 2016 гг. работ испытана полноградиентная многоканальная магнитометрическая система 8еаР08 [9], совмещенная с высокоточной навигационной системой, работавшей в режиме ЯТК. Система предназначена для высокоточного картирования магнитных аномалий и их градиентов в морских условиях для небольших глубин. Система позволяет при соответствующей доработке выполнять дистанционный мониторинг положения подводных заглубленных трубопроводов с относительно небольшими затратами.
По результатам картирования магнитных аномалий над трубопроводом установлено, что
Рис. 8. Плановое положение автоматически подобранных сингулярных источников аномалий, совмещенное с картой АМП
в плане эти аномалии очень однородны по типу источника и хорошо аппроксимируются узким классом модельных тел. Такой характер эквивалентных источников для сегментов трубы может указывать на весьма простую природу ее намагниченности: она носит преимущественно остаточный характер, и аномалии создаются на концах (стыках) отдельных труб, которые выступают в качестве элементарных полюсов или магнитов.
Полноградиентная, жестко скрепленная внутри себя и с приемником GPS магнитометрическая система хорошо показала себя в качестве перспективного прототипа для магнитометрического измерительного комплекса, предназначенного для высокоточного 3Б-мониторинга положения трубопровода. С помощью такой системы и имеющегося набора методико-программных средств можно надежно картировать, идентифицировать и интерпретировать создаваемые сегментами труб аномалии, решая задачу определения пространственного положения трубопровода с необходимой точностью.
Таким образом, магнитометрический метод может качественно дополнить другие геофизические способы точного определения положения подводных трубопроводов. Особенно ценным является то, что разрабатываемая
I
Рис. 9. Плановое положение автоматически подобранных сингулярных источников аномалий, совмещенное с картой аналитического сигнала
технология позволяет решать эту задачу экономично, без густой сети промерных галсов поперек трубопровода - достаточно нескольких профилей вдоль его ниток с межгалсовым расстоянием в несколько метров.
25
20
15
10
5
0
Список литературы
1. Семевский Р.Б. Специальная магнитометрия / Р.Б. Семевский, В.В. Аверкиев, В.А. Яроцкий. -СПб.: Наука, 2002. - 232 с.
2. Городницкий А.М. Морская магнитная градиентная съемка / А.М. Городницкий,
A.М. Филин, Ю.Д. Малютин. - М.: ВНИРО, 2004. - 140 с.
3. Pozza M. Mapping marine ferrous targets using the Seaquest gradiometer system / M. Pozza, and D. Hrvoic. - Маркхэм, Онтарио, Канада: Marine Magnetics, 2011. - Rev. 1.3.
4. Патент 2542625 РФ. Способ определения пространственного положения подводного трубопровода методом магнитной съемки /
B.В. Небабин, Р.Р. Кучумов, С.И. Голубин и др.; заявитель и панетообладатель ООО «Газпром ВНИИГАЗ». - № 2013135688/06; заявл. 31.07.2013; опубл. 20.02.2015, Бюл. № 5. -
8 с.: ил.
5. Roest W.R. Magnetic interpretation using
the 3-D analytic signal / W.R. Roest, J. Verhoef, and M. Pilkington // Geophysics. - 1992. - Т. 57. -
C. 116-125.
6. Гордин В.М. Морская магнитометрия /
B.М. Гордин, Е.Н. Розе, Б. Д. Углов. -М.: Недра, 1986. - 231 с.
7. Иваненко А.Н. Современные технологии обработки и интерпретации магнитных данных при поиске нефти и газа на акваториях /
А.Н. Иваненко, Ю.В. Брусиловский,
А.М. Филин и др. // Геофизика. - 2012. - № 3. -
C. 60-70.
8. Reid A.B. Magnetic interpretation in three dimensions using Euler deconvolution / A.B. Reid, J.M. Allsop, H. Granser et al. // Geophysics. -1990. - Т. 55 (1). - С. 80-91.
9. Sergeev A.V. High-precision mapping of submerged objects using the full-gradient overhauser magnetometer system / A.V. Sergeev, E.D. Narkhov, A.N. Ivanenko et al. // AIP Conference Proceedings. - 2017. -T. 1886. - Ст. № 020076. - https://www. scopus.com/record/display. uri?eid=2-s2.0-85031126751&origin=resultslist
Spatial positioning of subsea pipelines using a full-gradient magnetometer system
A.N. Ivanenko1*, V.V. Arkhipov2,3, V.A. Sapunov4
1 P.P. Shirshov Institute of Oceanology of RAS, Bld. 36, Nakhimovskiy proyezd, Moscow, 117218, Russian Federation
2 N.N. Zubov State Oceanographic Institute, Bld. 6, Kropotkinskiy pereulok, Moscow, 119034, Russian Federation
3 Lomonosov Moscow State University, Bld. 1, Leninskiye Gory, Moscow, 119991, Russian Federation
4 B.N. Yeltsyn Ural Federal Univesity, Bld. 19, Mira street, Yekaterinburg, 620002, Russian Federation * E-mail: ivanenko.ocean@gmail.com
Abstract. The paper deals with the issues of remote determination of the spatial position of buried pipelines with the help of magnetic survey. This method is economical and does not affect the environment. To achieve the required accuracy of pipeline positioning, it is proposed to use a full gradient multichannel magnetic system consisting of four Overhaus magnetometers SeaPOS combined with a receiver of a high-precision differential navigation system. Such a configuration of the system makes it possible to accurately determine spatial position of local magnetic anomalies created by pipelines, and eliminates the need to take into account the temporal component of the Earth's magnetic field (which is especially important for the Arctic) by working with spatial field gradients. The theoretical challenges and technique of the survey method are considered, algorithms for data processing are proposed and implemented with the aim of solving the problem of high-precision mapping of local magnetic anomalies created by pipelines and solving the inverse magnetic problem by determining the positions and power of the sources of these anomalies. The results of offshore work in summer time of 2015 and 2016 are discussed; during these works a full gradient magnetic system was tested and magnetic anomalies over the underwater section of the Bovanenkovo-Ukhta gas pipeline in the Baydaratskaya Bay were mapped.
Keywords: magnetic mapping, full-gradient magnetometer, precise positioning of subsea pipelines, Bovanenkovo-Ukhta gas pipeline.
References
1. SEMEVSKIY, R.B., V.V. AVERKIYEV, V.A. YAROTSKIY. Special magnetometry [Spetsialnaya magnitometriya]. St. Petersburg: Nauka, 2002. (Russ.).
2. GORODNITSKIY, A.M., A.M. FILIN, Yu.D. MALYUTIN. Marine magnetic gradient survey [Morskaya magnitnaya gradiyentnaya syemka]. Moscow: Russian Federal Research Institute of Fisheries and Oceanography, 2004. (Russ.).
3. POZZA, M., and D. HRVOIC. Mapping marine ferrous targets using the Seaquest gradiometer system. Markham, ON, Canada: Marine Magnetics, 2011. Rev. 1.3.
4. Gazprom VNIIGAZ LLC. Determination of spatial location of underwater pipeline by magnetometric survey. Inventors: NEBABIN, V.V., R.R. KUCHUMOV, S.I. GOLUBIN et al. 20 February 2015. Appl: 31.07.2013. RU 2542625. (Russ.).
5. ROEST, W.R., J. VERHOEF, and M. PILKINGTON. Magnetic interpretation using the 3-D analytic signal. Geophysics. 1992, vol. 57, pp. 116-125. ISSN 0016-8033.
6. GORDIN, V.M., Ye.N. ROZE, B.D. UGLOV. Marine magnetometry [Morskaya magnitometriya]. Moscow: Nedra, 1986. (Russ.).
7. IVANENKO, A.N., Yu.V. BRUSILOVSKIY, A.M. FILIN et al. Modern technologies for processing and interpreting of magnetic data at oil and gas questing in waters [Sovremennyye tekhnologii obrabotki i interpretatsii magnitnykh dannykh pri poiske nefti i gaza na akvatoriyakh]. Geofizika. 2012, no. 3, pp. 60-70. ISSN 1681-4568. (Russ.).
8. REID, A.B., J.M. ALLSOP, H. GRANSER et al. Magnetic interpretation in three dimensions using Euler deconvolution. Geophysics. 1990, vol. 55 (1), pp. 80-91. ISSN 0016-8033.
9. SERGEEV, A.V., A.V., NARKHOV, E.D., IVANENKO et al. High-precision mapping of submerged objects using the full-gradient overhauser magnetometer system [online]. In: AIP Conference Proceedings, 2017, vol. 1886, art. no. 020076. Available from: https://www.scopus.com/record/display.uri?eid=2-s2.0-85031126751&origin=resultslist
