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 крупнейшее 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 интервале глубин 3,8–5,4 км от земной поверхности. Существенной особенностью залежи является наличие в ней большого количества сероводорода, находящегося под аномально-высоким пластовым давлением. Резервуар представлен сложно построенным карбонатно-трещинным или трещинно-пустотным коллектором и соляным флюидоупором. Особенность строения резервуара в наличии отдельных гидроблоков, связь между которыми затруднена или отсутствует;

Аномально-высокое пластовое давление, сложное геологическое строение, а также значительный срок эксплуатации месторождения с постоянно нарастающими объемами извлекаемой нефти дают основание предполагать возможных просадках техногенного происхождения. Что и послужило основанием для проведения данного исследования

В статье приводится пример интерферометрической обработки конкретной пары радарных снимков спутника Европейского космического агентства (ESA) ENVISAT/ASAR от 23.11.2005 г. и 28.11.2007 г., иллюстрирующий методику интерферометрического выявления вертикальных смещений земной поверхности и, в частности, численной их оценки.

Также приводятся результаты реального проекта по выявлению смещений земной поверхности над месторождением Тенгиз, произошедших с 2004 по 2010 гг., по результатам 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 технологии интерферометрической обработки радарных снимков рассмотрим 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 базовой линии около 17 м, что для спутника ENVISAT/ASAR является очень маленькой. Вместимость топографического интерференционного цикла (2PI Ambiguity height) составляет 530 м, что на порядок больше, чем реальный перепад высот на этом участке, а следовательно, фаза смещений земной поверхности значительно преобладает над фазой рельефа. Именно поэтому данная пара снимков была выбрана для демонстрации возможностей метода. Разница положений доплеровского центроида также незначительна (22 Гц при критической величине 1652 Гц), и поэтому ее влияние минимально.

Первым шагом интерферометрической обработки является  совмещение основного и вспомогательного радарных изображений интерферометрической пары в автоматическом режиме. В случае пары с малой базовой линии этот шаг лучше выполнять без участия цифровой модели рельефа (ЦМР). Совмещение в SARscape выполняется в автоматическом режиме во время процедуры Interferogramm Generation Without DEM модуля SARscape Interferometry в три этапа:

1. Совмещение с пиксельной точностью по орбитальным параметрам.
2. Уточнение сдвига одного снимка относительно другого с субпиксельной точностью с использованием нерегулярной сетки окон, характеризующихся корреляцией амплитуд выше заданного порога.
3. Уточнение сдвига одного снимка относительно другого с использованием 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, после чего, в рамках этой же процедуры Interferogramm Generation был выполнен второй шаг — расчет комплексной интерферограммы, являющейся результатом комплексного поэлементного перемножения фаз радарных снимков пары. Интерферограмма показана на рис. 2.

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

В нашем случае фаза рельефа хоть и незначительна (из-за малой базовой линии и из-за не ярко выраженного рельефа территории), но, тем не менее ее необходимо удалить из интерферограммы. Это делается на следующем шаге интерферометрической обработки с помощью процедуры Interferogramm Flattening модуля SARscape Interferometry. В рамках этой процедуры выполняется разделение топографического и деформационного компонентов фазы за счет синтеза фазы рельефа с помощью имеющейся ЦМР, в качестве которой авторами использовалась ЦМР SRTM. Основным выходным файлом данной процедуры является дифференциальная интерферограмма, представляющая собой результат вычитания синтезированной фазы рельефа из комплексной интерферограммы. Дифференциальная интерферограмма для обрабатываемой пары снимков показана на рис. 3.

Дифференциальная интерферограмма содержит в себе компоненту смещений и компоненту фазового шума. Чтобы уменьшить уровень шума, выполняется адаптивная фильтрация дифференциальной интерферограммы. На фильтрованной дифференциальной интерферограмме, показанной на рис. 4, хорошо заметны два концентрических интерференционных цикла (так называемых фринга), отражающих смещения земной поверхности за период между 2005 и 2007 гг. Каждый фринг соответствует смещениям, равным половине длины волны радиолокатора ENVISAT (длина волны — 5,5 см, половина длины волны — 2,75 см). Черным 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 отчетливо наблюдаются два концентрических интерференционных цикла (т.е. смещения до 5,5 см за период в 2 года с 2005 до 2007).

Фаза на дифференциальной интерферограмме имеет периодическую природу, и между соседними фрингами существует разрыв фазы (см. рис. 5). Чтобы получить непрерывную фазу – необходимо выполнить процедуру ее развертки. На рис. 6 показана развернутая фаза на тот же участок, что и на рис. 5. Скачок (разрыв) фазы на границе фрингов устранен. Участки черного цвета – зашумленные зоны интерферограммы для которых фаза не разворачивалась (в дальнейшем расчете смещений эти точки не участвуют).

На рис. 7 показана развернутая фаза на весь обрабатываемый участок.

Далее, развернутая фаза с использованием нескольких контрольных точек, взятых с ЦМР SRTM для коррекции орбиты, была преобразована в смещения в миллиметрах. Модель смещений на весь обрабатываемый участок месторождения Тенгиз и прилегающих территорий показана на рис. 8.

Выше был приведен пример обработки одной из возможных пар снимков 33-проходной цепочки. Однако, обработка одной пары снимков не является статистически представительным результатом. Для того, чтобы уверенно картировать смещения, необходима обработка многих пар снимков, в том числе, перекрещивающихся во времени, чтобы смещения, произошедшие за определенный интервал времени, оценивались не по одной, а по нескольким (или многим) парам снимков, охватывающих данный интервал. Поэтому с той же последовательностью действий, как была обработана пара снимков от 23.11.2005 г. и 28.11.2007 г., были обработаны 60 других пар этой 33-проходной цепочки, отобранные по принципу наименьших базовых линий в соответствии с методом SBas [1]. Их обработка описана в следующем подразделе.

Обработка 33-проходной цепочки ENVISAT ASAR МЕТОДОМ SBAS

Из снимков 33-проходной цепочки можно составить всего 528 независимых пар (33 х 32 / 2). Поскольку к смещениям земной поверхности наиболее чувствительны интерферометрические пары, характеризующиеся малыми перпендикулярными компонентами базовых линий, логично отобрать именно их для дальнейшей обработки. Исходя из статистического распределения базовых линий данной конкретной цепочки, а также из опыта авторов, для отбора пар для дальнейшей обработки был установлен порог базовых линий — до 30% от критической базовой. Кроме того, чтобы избежать выбора пар с сильной временной декорреляцией было установлено максимальное значение временной базы в 365 суток.

Определив эти исходные параметры, была выполнена интерферометрическая обработка 33-проходной цепочки данных ENVISAT по методу малых базовых линий (SBas), реализованному в программном комплексе SARscape в модуле Interferogramm Stacking. Именно обработка по этому методу была выбрана для получения основного результата по данным ENVISAT за 2004–2009 гг., а именно, для статистически выверенной оценки смещений земной поверхности над месторождением Тенгиз, произошедших за рассматриваемый период.

Сначала с указанными выше параметрами была применена функция Connection Grapgh модуля Interferogramm Stacking. Результатом явились 60 из 528 теоретически возможных пар снимков. Схематически выбранные 60 пар снимков в координатах «время — базовая линия» приведены на рис. 9. Как видно из рисунка, большая часть рассматриваемого периода (с 2004 по 2009 гг.) анализируется по результатам обработки не одной, а нескольких пар, что значительно увеличивает достоверность получаемых результатов. В частности, при одновременной обработке нескольких пар вклад реально закономерно происходящих динамических процессов земной поверхности увеличивается, а роль случайных и не закономерных во времени факторов, влияющих на интерферометрическую фазу, таких как атмосфера, электромагнитные шумы, осадки и т. д. — сильно падает.

Далее обработка всех этих выбранных пар велась в той же последовательности, что и обработка пары от 23.11.2005 г. и 28.11.2007 г., подробно рассмотренная выше. Авторы считают излишним приводить все промежуточные результаты по каждой из 60 пар, поскольку последовательность их обработки полностью идентична. Приведем все же на рис. 10 несколько фильтрованных дифференциальных интерферограмм, отражающих смещения земной поверхности за разные периоды, для иллюстрации того, что мульда оседаний, выявленная по паре от 23.11.2005 г. и 28.11.2007, хорошо заметна также и на других интерферограммах анализируемой 33-проходной цепочки за различные временные периоды. Абсолютные значения смещений по дифференциальным интерферограммам можно оценить исходя из количества интерференционных циклов (фрингов) или их долей на этих интерферограммах, поскольку полный интерференционный цикл на них соответствует смещениям, равным 2,75 см, т. е. половине длины волны радиолокатора ENVISAT.

Для математического вычисления динамики смещений за 2004–2009 гг. из рассчитанных 60 интерферограмм ENVISAT был применен алгоритм SBas Inversion, реализованный в модуле SARscape Interferogramm Stacking. Данный алгоритм подразумевает восстановление последовательной во времени динамики смещений земной поверхности по результатам 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 весь период наблюдений и модель среднегодовой скорости вертикальных смещений. Кроме того, 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 Google Earth показана на рис. 12. Графики оседаний в миллиметрах для нескольких типовых точек – постоянных рассеивателей радарного сигнала, расположенных в самом центре зарегистрированной мульды оседаний, показаны на рис. 13. Модель среднегодовой скорости смещений земной поверхности над месторождением Тенгиз за период с 2004 по 2009 гг. показана на рис. 14.

Анализ полученных результатов

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

По сравнению с анализируемыми в рамках статьи данными ENVISAT за 2004-2009 год в результатах по данным ALOS за 2007–2010 гг. проявились следующие основные особенности (рис. 15):

• Западная граница основной мульды оседаний сместилась в сторону береговой линии и достигла ее концу 2010 г.
• Сформировалась еще одна мульда оседаний земной поверхности — к северо-востоку от первой.
• Появился локальный участок поднятий земной поверхности на северной окраине основной мульды оседаний — в районе сооружений завода по очистке от сероводорода (возможно, это ложные поднятия, вызванные изменением высот сооружений складирования серы, которая откладывается слой за слоем открытым способом).

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

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

Для регулярного мониторинга зарегистрированных по архивным спутниковым данным техногенных смещений и деформаций, локально усиленных природными геологическими причинами, авторы рекомендуют запланировать целевую многопроходную радарную съемку с выдерживаемым временным интервалом (до 8 раз в месяц) и с гораздо более высоким пространственным разрешением (до 1 м). Наилучшим образом для этой задачи, по мнению авторов, подходит итальянская спутниковая радарная группировка COSMO-SkyMed 1-4.

Данные этих возможных съемок могут быть также обработаны специалистами компании «Совзонд». Кроме того, компания «Совзонд» может поставить программный продукт SARscape по обработке радарных данных, осуществить обучение работе в этом программном продукте, а также проконсультировать и внедрить технологии наблюдений за смещениями земной поверхности с использованием радарных данных на базе заказчика.

Дальнейшее наблюдение за оседаниями земной поверхности необходимо, чтобы предотвратить возможное неожиданное подтопление объектов наземной инфраструктуры добычи углеводородов, поскольку четко зафиксировано развитие мульды оседаний на запад – к побережью Каспийского моря.

Список 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 по данным геофлюидодинамики. Геология нефти и газа, 1990, № 2.