Avanzamenti nelle Reti Wireless per Applicazioni Sismiche

Negli ultimi anni, c'è stata sempre più attenzione sulla protezione dell'ambiente e sulla sicurezza in tutti i settori, in particolare nell'industria del petrolio e del gas. Questa pressione non viene solo dal pubblico, ma anche dagli enti di regolazione. Le aziende di questi settori devono essere in grado di prevedere e gestire i rischi legati alla produzione di idrocarburi e alle infrastrutture che la supportano. Per mantenere le loro licenze operative, devono avere una comprensione solida di come si comportano i loro serbatoi e come agiscono gli strati di terra circostanti. Questo richiede di raccogliere dati con un buon tempismo e precisione, oltre a integrare varie fonti di misurazione.

Con l'avanzare della tecnologia, i sensori e le reti stanno diventando più piccoli e più accessibili, pur continuando a fornire dati di alta qualità. L'Internet delle Cose (IoT) ha reso possibile una comunicazione wireless diffusa, permettendo ai dispositivi di connettersi facilmente a internet. Con i miglioramenti nel cloud computing e nella gestione dei dati, le aziende possono ora gestire grandi quantità di informazioni in modo rapido ed efficace. Questo documento discute come questi progressi possano essere utilizzati per impostare reti wireless per sensori sismici.

Per raggiungere questo obiettivo, suggeriamo di usare Reti a bassa potenza e ampia area (LPWAN), un tipo di tecnologia wireless basata su IoT. Queste reti hanno lunghe distanze e bassi requisiti energetici, rendendole ideali per vari usi sismici. Presentiamo un design di rete che minimizza i requisiti di manutenzione, affrontando comunque compiti sismici chiave. Nonostante abbiano tassi di trasmissione dati più bassi, le LPWAN possono gestire grandi quantità di dati generati da attività sismiche complesse, purché l'applicazione non richieda la consegna immediata dei dati. Dettagliamo anche implementazioni pratiche e un test su piccola scala in cui la nostra rete wireless ha monitorato l'attività sismica in tempo reale.

#Introduzione alle Comunicazioni Wireless

Le comunicazioni wireless hanno plasmato in modo significativo una moltitudine di settori negli ultimi trent'anni. Il settore delle telecomunicazioni è maturato tecnologicamente e strutturalmente, consentendo di gestire in modo efficiente un'enorme quantità di dati. Con il lancio di tecnologie mobili come 3G, 4G e il futuro 5G, le comunicazioni wireless possono gestire efficacemente scenari di trasmissione complessi e mobilità. Questa tecnologia ha il potenziale di avvantaggiare vari altri settori, compresi quelli del petrolio e del gas.

Nell'industria del petrolio e del gas, specialmente per le applicazioni sismiche, la raccolta, la trasmissione e lo stoccaggio dei dati sono spesso sfide a causa delle grandi dimensioni dei dati e dei fattori ambientali. Ad esempio, le configurazioni sismiche tradizionali basate su cavi sono difficili da scalare, portando alla necessità di soluzioni wireless. I cavi sono suscettibili a danni e possono interferire tra loro, mentre i sensori wireless sono più leggeri, generalmente più economici e più facili da installare. Eliminano anche le complicazioni legate al trasporto e alla manutenzione dei cavi, consentendo operazioni più fluide in terreni difficili, allestimenti temporanei o luoghi remoti privi di fonti di energia. Questa flessibilità può essere vantaggiosa per il controllo qualità e il monitoraggio in ambienti difficili.

Esistono varie tecnologie wireless disponibili per le operazioni sismiche, e differiscono in base a requisiti specifici. Alcuni design mirano al monitoraggio del movimento del suolo o ai sistemi di allerta precoce per attività vulcaniche, mentre altri si concentrano sull'acquisizione sismica. Ogni tipo di applicazione utilizza tecnologie e concetti di rete distinti a seconda delle esigenze uniche dello scenario.

Gli approcci tradizionali per l'acquisizione dei dati sismici prevedono la creazione di cluster di nodi, dove ogni nodo ha una portata e una capacità limitate. Questi cluster si collegano a nodi di maggiore capacità per trasmettere i dati a una porta di accesso vicina. Una sfida comune in queste configurazioni è che si appoggiano pesantemente su tassi di trasmissione dati elevati, il che può portare a costi e consumi energetici più alti, specialmente in reti grandi. Mentre c'è una vasta ricerca sulle telecomunicazioni per affrontare sfide correlate, c'è una mancanza evidente di studi completi che applicano design di rete wireless a varie applicazioni sismiche.

Con l'emergere delle tecnologie a bassa potenza su larga area, è possibile creare una rete wireless che soddisfi efficacemente i requisiti per le applicazioni sismiche. Le tecnologie LPWAN sono progettate specificamente per tassi di dati bassi e comunicazione a lungo raggio, che si adattano a molte esigenze sismiche. Dato che gli scenari richiedono spesso meno trasferimento immediato di dati, le LPWAN possono essere una soluzione valida.

#Scenari di Interesse nelle Applicazioni Sismiche

Ci concentriamo su quattro scenari principali rilevanti per le applicazioni sismiche, ognuno con caratteristiche di generazione dati distinte.

#Monitoraggio del Movimento del Suolo (GMM)

Il monitoraggio del movimento del suolo raccoglie dati quando i sensori rilevano attività sismica. Questa operazione coinvolge sensori che osservano continuamente i segnali, ma registrano dati solo quando vengono superate soglie specifiche. I dati registrati aiutano nei sistemi di allerta precoce e consentono decisioni rapide in caso di terremoto. I sistemi di monitoraggio del movimento del suolo consistono spesso in numerosi sensori distribuiti su un'ampia area, solitamente richiedono alcune decine fino a diverse centinaia di dispositivi per coprire grandi distanze.

#Interferometria Sismica del Rumore Ambientale (ANSI)

L'interferometria sismica del rumore ambientale è un metodo utilizzato per raccogliere informazioni sul sottosuolo superficiale. Utilizza le correlazioni dei segnali provenienti da vari ricevitori per ricostruire le funzioni di Green per l'analisi. A differenza del monitoraggio del movimento del suolo, l'interferometria del rumore ambientale richiede la registrazione continua dei segnali di rumore, che possono poi essere inviati a un luogo centrale per l'elaborazione. L'impostazione coinvolge tipicamente reti dense con migliaia di nodi distribuiti su vaste aree.

#Monitoraggio delle Fratture Microseismatiche (MFM)

Il monitoraggio delle fratture microseismatiche si concentra sull'osservazione dello stress e della deformazione nei serbatoi durante la fratturazione idraulica. Questo processo può aiutare a migliorare la produttività dei pozzi. I sensori possono essere posizionati sia in superficie che in foro per monitorare le fratture. L'obiettivo è tracciare la propagazione di queste fratture attraverso la raccolta continua di dati. Sebbene la generazione di dati per sensore sia relativamente alta durante le fasi di monitoraggio attivo, il numero totale di sensori utilizzati è generalmente inferiore rispetto alle altre applicazioni.

#Controllo Qualità per Sondaggi Sismici Attivi (QCLS)

I sondaggi sismici attivi coinvolgono operazioni estensive che possono utilizzare decine di migliaia di sensori. Questi sensori vengono monitorati per scopi di controllo qualità attraverso vari parametri, inclusi i livelli di rumore e le posizioni dei sensori. Questa configurazione richiede generalmente meno dati per sensore, ma il numero totale di sensori significa che il processo di gestione dei dati complessivo può diventare complesso.

#Scegliere la Giusta Tecnologia Wireless

Selezionare la tecnologia wireless giusta per le applicazioni sismiche comporta diversi fattori, inclusa l'area di copertura necessaria e la densità dei sensori. Le tecnologie possono essere categorizzate in a corto raggio (fino a qualche centinaio di metri) e a lungo raggio (che vanno da un chilometro a decine di chilometri). La scelta dipenderà dalle specifiche dell'applicazione e dall'ambiente in cui viene implementata.

Un altro fattore vitale è il permesso delle bande di frequenza e i tassi di dati richiesti. Le tecnologie possono operare in bande di frequenza non autorizzate o autorizzate. Mentre le bande non autorizzate sono gratuite da utilizzare, possono subire interferenze da dispositivi circostanti. Lo scenario ideale è utilizzare tecnologie che operano all'interno di bande autorizzate per evitare problemi di congestione.

Il consumo energetico e i costi dei moduli sono anche considerazioni cruciali quando si stabiliscono grandi reti. Alcuni standard cellulari tradizionali, come 3G e 4G, possono essere costosi e a forte consumo energetico, specialmente per operazioni a lungo termine. Pertanto, è essenziale cercare soluzioni a bassa potenza e convenienti. Attualmente, le tecnologie LPWAN come Sigfox e LoRa presentano opzioni promettenti per applicazioni sismiche wireless.

#Tecnologie Wireless a Larga Area a Bassa Potenza (LPWA)

Le tecnologie LPWA possono essere suddivise in due categorie principali. La prima include opzioni come Sigfox e LoRa, che operano in bande di frequenza non autorizzate. La seconda categoria comprende modifiche agli standard cellulari esistenti come LTE adattate per applicazioni IoT. Entrambe le categorie offrono lunghe distanze, requisiti energetici ridotti e tassi di dati accettabili adatti per applicazioni sismiche.

Le LPWAN sono particolarmente preziose per configurazioni che coinvolgono nodi fissi o applicazioni a batteria che non necessitano di trasmissione costante di dati. Forniscono la gamma di comunicazione necessaria consumando energia minima, rendendole ideali per monitorare attività in aree remote.

Le applicazioni che possono beneficiare della tecnologia LPWAN includono il monitoraggio del movimento del suolo, il monitoraggio del rumore ambientale e il monitoraggio delle fratture. La capacità delle LPWAN di tollerare qualche ritardo nel trasferimento dei dati significa che possono affrontare efficacemente le esigenze di queste applicazioni senza problemi sostanziali.

#Progettazione dello Strato Fisico

L'architettura dello strato fisico di una rete wireless si concentra sull'assicurarsi che i dati possano essere trasmessi in modo efficiente su lunghe distanze. Per le applicazioni sismiche, i design proposti puntano a essere convenienti per implementazioni su larga scala rimanendo all'interno di un framework di cloud computing IoT.

Esploriamo due tipi di strategie di trasmissione dati per queste applicazioni. Il primo utilizza reti cellulari esistenti, che possono migliorare la connettività nelle aree urbane. Il secondo approccio si concentra sull'istituzione di reti private, in particolare in luoghi remoti privi di infrastruttura cellulare.

Nella prima architettura, la rete è costruita attorno a torri cellulari, consentendo a ogni sensore di comunicare con torri o ripetitori vicini. Questo tipo di configurazione può supportare un numero elevato di nodi e aree ampie, assicurando tassi di trasferimento dati adeguati. La seconda architettura ruota attorno a cluster di sensori che si collegano a nodi di maggiore capacità, affrontando la necessità di un design di rete robusto in aree prive di copertura cellulare.

Ogni nodo wireless comunica con un punto centrale, raccogliendo dati prima di trasmetterli a un server cloud per l'archiviazione e l'analisi. I bassi tassi di dati delle LPWAN si rivelano efficaci per applicazioni che possono gestire qualche ritardo nel trasferimento dei dati, rendendole adatte per compiti di monitoraggio sismico.

#Progettazione di una Rete per il Campo di Groningen

Groningen è il più grande campo di produzione di gas in Europa e ha affrontato sfide a causa di piccoli terremoti derivanti dalle attività di produzione. Con un'infrastruttura wired limitata e una scarsa copertura cellulare, quest'area presenta un'opportunità per implementare una rete wireless basata su IoT per applicazioni sismiche.

Il piano prevede il dispiegamento di una rete densa di sensori nel campo per condurre misurazioni del rumore ambientale e monitorare l'attività sismica. Ogni sensore è posizionato a circa qualche chilometro di distanza, consentendo una valutazione completa delle dinamiche geologiche dell'area. I nodi raccoglieranno dati continuamente per fornire informazioni in tempo reale sulle condizioni del sottosuolo e sugli eventi sismici potenziali.

Date le informazioni disponibili sull'attività sismica nel campo di Groningen, il nostro design di rete si basa su requisiti specifici che si adattano alle condizioni uniche. L'uso di cavi ad alta velocità esistenti e la possibilità di incorporare reti LoRa forniscono una solida base per un miglioramento della raccolta e analisi dei dati.

Calcolare i tassi e i volumi di generazione dei dati è essenziale per capire quanti dati verranno trasmessi attraverso la rete. L'attenzione sarà rivolta a due tipi di dati: registrazione continua per il rumore ambientale e dati su richiesta raccolti durante eventi sismici. Questo assicura che la rete possa gestire efficacemente i requisiti di dati senza sopraffare la sua infrastruttura.

#Considerazioni sui Costi per Reti Wireless

Impostare una rete wireless comporta vari costi, che devono essere affrontati per garantire sostenibilità. Una stima approssimativa indica che i costi operativi per l'utilizzo di tecnologie LPWAN come LoRa sono significativamente inferiori rispetto a quelli delle opzioni cellulari come NB-IoT. Questo è principalmente dovuto ai requisiti infrastrutturali e alle spese di abbonamento associate alle reti cellulari.

Mentre saranno necessari alcuni investimenti iniziali per stabilire la rete, i costi continuativi rimangono gestibili, soprattutto considerando i benefici a lungo termine di una manutenzione ridotta e maggiore flessibilità nel dispiegare sensori. L'accessibilità della tecnologia LoRa la rende una candidata interessante per applicazioni sismiche in vari ambienti.

#Test di Campo di Prova di Concetto

A dicembre 2016, è stato condotto un test di campo di prova per valutare le prestazioni di una rete sismica wireless basata su LoRa. Questo ha coinvolto il dispiegamento di nodi e gateway abilitati LoRa per valutare la loro funzionalità nel monitoraggio sismico in tempo reale. Il test mirava a determinare quanto bene la tecnologia potesse supportare il controllo qualità sismico in diverse condizioni meteorologiche e sfide del terreno.

Il test di campo è stato svolto in tre fasi principali, iniziando con valutazioni delle prestazioni individuali nodo-gateway. Successivamente, è stata creata una rete di nodi per valutare l'efficacia complessiva del sistema. Infine, è stato aggiunto un nodo mobile per esaminare quanto bene la rete potesse gestire sensori in movimento.

I risultati di questo test hanno evidenziato le capacità della tecnologia LoRa, mostrando il suo basso consumo energetico, portata sufficiente e capacità di raccogliere e trasmettere dati in modo affidabile. Le scoperte supportano la fattibilità di implementare tali reti per applicazioni più ampie nel settore del petrolio e del gas.

#Conclusioni

L'emergere recente delle tecnologie LPWAN offre nuove possibilità per le applicazioni sismiche wireless, fornendo un'alternativa economica e rispettosa dell'ambiente ai metodi tradizionali. Integrando le capacità IoT con il networking wireless, le organizzazioni possono facilmente dispiegare nodi sensoriali per monitorare l'attività sismica, sfruttando nel contempo il cloud computing per l'archiviazione e l'analisi dei dati.

L'implementazione di successo di queste tecnologie in scenari come Groningen illustra il potenziale per un'adozione diffusa in tutta l'industria del petrolio e del gas. Dalla esplorazione al monitoraggio delle condutture e al tracciamento degli asset, le reti wireless basate su IoT possono facilitare la raccolta efficiente dei dati e il monitoraggio in tempo reale.

Futuri sforzi si concentreranno sull'espansione dell'uso delle tecnologie wireless in applicazioni reali, garantendo che i vantaggi di costi ridotti e gestione dei dati migliorata siano completamente realizzati in tutto il settore.