CN108931777A - 海底冷泉输出气体运移通量的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明所述海底冷泉输出气体运移通量的测量方法，采取走航式探测方法并基于回声反射图像下的气泡群宽度、高度与形态等参数数据测算出单位高度值下的气泡羽状流体含气浓度，从而获得输出气体运移通量的定量化指标，为准确快速地辩别海底天然气储量级别提供最直接的参考依据。输出气体运移通量的测量方法是采用探测基阵从水下发送与接收声波信号进行回声反射探测，通过后续信号转换与处理以生成气泡羽状流的声纳图像，根据图像特性来判别海底冷泉的存在与所在位置。针对海底冷泉所在海域范围，采取走航式探测方法，探测声波覆盖形成气泡羽状流的天然气泄露处，测算出声纳图像中单位高度下的气泡羽状流体含气浓度。

Description

海底冷泉输出气体运移通量的测量方法

技术领域

本发明是基于拖曳式海底冷泉快速成像系统，经信号处理后获得声学图像的数据参数后进行输出气体运移通量的测量方法，属于海洋观测技术领域。

背景技术

海底冷泉即海底天然气渗漏，针对海底冷泉活动进行实地测量当前海洋科学的技术热点，对冷泉活动的研究提升了人们对深海资源的认识和利用。海底冷泉广泛发育于活动和被动大陆边缘斜坡海底，海底沉积界面之下，以水、碳氢化合物(天然气和石油)、硫化氢、细粒沉积物为主要成分，温度与海水相近的流体，以喷涌和渗漏方式注入盆地，并产生一系列的物理、化学及生物作用，这种作用及产物称为冷泉。冷泉区别于热液喷口的地方是，喷泉喷射出的液体和周围海水温度大体一致，而海底热液喷出的液体则高于周围海水温度。

气泡羽状流的成因是在地壳动力作用下，天然气从地壳内部往上运移，通过孔隙、裂缝、裂隙或断层等运移通道穿过海底沉积层泄漏进入海水，形成海底气泡羽状流。羽状流发育地区常发现富含天然气水合物的海底沉积层。

海底冷泉上方的天然气水合物富含大量的甲烷，海底热液冷泉一般发生在深海几千米处，需要特殊的仪器进行观测。目前主流的观测手段都是进行海底原位观测，在调查区投放高清摄像机机器人的方法。上述方法成本均较高，且难以长期观测。

又如以下在先申请专利，申请号CN201510303201.3，名称为一种海底冷泉水体回声反射探测系统和方法，其公开的探测系统声反射探测系统包括含有多个换能器组成的换能器基阵，电缆，收发合置开关，发射机，接收机，信号处理机，回声处理服务器和供电模块。所述的换能器基阵放置于水下，所述的发射机和所述的接收机分别连接所述的信号处理机，所述的信号处理机连接所述的回声处理服务器，所述的供电模块为整个系统提供电源。所实现的海底冷泉水体回声反射探测的方法，包括如下步骤：1)回声处理服务器接收探测操作或指令，信号处理机生成宽带多频点的发射信号，换能器基阵将该发射信号由电信号转换为声信号发射出去；2)换能器基阵接收该声信号的声学回波信号，并将其转换成微弱的电信号；3)信号处理机对该电信号进行信号处理；4)回声处理服务器接收电信号并将其转换为逸出气泡的图像，随后在显示设备上显示，再根据图像特性来判别是否为冷泉。

上述申请技术虽然公开了基于水体回声反射的海底冷泉探测方案，其本质上尚处于理论研究与实验论证阶段，对于在实际复杂海况条件下的探测系统构建、探测声呐发射频率设计与应用方面并无实际操作指导，关键技术并未公开。

更为重要的是，虽可通过测量声学图像辅助辨别与判断是否有海底冷泉的存在及大致位置，但无进一步技术支持以量化气泡羽状流体积比，无法获得所泄露甲烷的浓度量比指标，也就无法提供海底天然气储量级别与开采价值的相关数据。

有鉴于此特提出本专利申请。

发明内容

本发明所述海底冷泉输出气体运移通量的测量方法，在于解决上述现有技术存在的问题而采取走航式探测方法，基于回声反射图像下的气泡群宽度、高度与形态等参数数据测算出单位高度值下的气泡羽状流体含气浓度，从而获得输出气体运移通量的定量化指标，为准确快速地辩别海底天然气储量级别提供最直接的参考依据。

为实现上述发明目的，所述海底冷泉输出气体运移通量的测量方法如下：

采用探测基阵从水下发送与接收声波信号进行回声反射探测，通过后续信号转换与处理以生成气泡羽状流的声纳图像，根据图像特性来判别海底冷泉的存在与所在位置。与现有技术的区别之处在于，

针对海底冷泉所在海域范围，采取走航式探测方法，探测声波覆盖形成气泡羽状流的天然气泄露处，测算出声纳图像中单位高度下的气泡羽状流体含气浓度V_ΣB，

其中，V_ΣB＝NV＝(S_vσ_bs-1)·(995600σ_bs ^1.3426)＝542100S_vσ_bs ^1.3426

N为声纳图像中单位高度下的羽状流气泡总数，V是单个气泡体积，σ_bs为单个气泡的声散射截面，S_v为体积反向散射强度系数。

走航式探测过程中，动力船从前方牵引搭载有探测基阵的拖体，探测基阵位于拖体的水下部分；探测基阵具有多频率基阵换能器集成，包括多频率发射换能器与接收换能器，发射频率范围在10-120KHZ之间；探测基阵采用等间距直线阵结构。

走航式探测过程中，控制拖体的航速在4-7节范围，拖体在海面上的纵、横向摇摆角度小于15°；对于动力船牵引拖体的拖曳点T的要求是，满足作用在拖体上的浮力、重力、水动力和尾部拖缆对拖曳点T的合力矩为零。

综上所述，本申请海底冷泉输出气体运移通量的测量方法具有以下优点：

1、所依据的是声学回波反射图像，图像提供统一的坐标系参考尺度，据此进行相关运移通量测算结果有保障、更加准确与可行；

2、采取走航式探测方法、拖曳式成像系统，能够适应较为复杂的海况，从而获得更为准确的测量数据，有利于从声学特性、形态测量等方面进行了测算与分析；

3、针对输出气体运移通量进行定量测算，能够更为直接与有效地辩别出海底天然气储量级别，可为后续海试数据采集及处理打好了基础。

附图说明

图1是所述走航式观测工作原理图；

图2是所述海底冷泉快速成像系统的模块集成图；

图3是现有技术呈现的冷泉声学图像示例；

图4是入射平面波在球面上的散射示意图；

图5是软球散射声场的指向性(软球半径变化)示意对比图；

图6是软球散射声场的指向性(频率变化)示意对比图；

图7是在海水1m深度时气泡共振频率f₀与气泡半径a(μm)的关系图；

图8是半径为100μm气泡的共振频率f₀(kHz)与海水深度depth(m)的关系图；

图9是气泡散射截面与声波发射频率之间的关系图；

图10是液体作用到气泡上的反应时间和气泡半径之间的关系图；

图11是探测基阵位于拖体水下部分的示意图；

图12是走航式观测得到的声学回波图像仿真；

图13是实测水下火山喷口声学回波的测量结果图；

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

实施例1，如图2所示，所述海底冷泉快速成像系统主要包括有：

探测基阵E，按设定频率在接收、发射端进行电信号与声信号之间的转换；

收发器单元D，执行处理器单元的指令以确定探测基阵的发射频率，并接收到电信号进行滤波与放大；

以太网交换机C，完成数据传输与标准化；

处理器单元B，采用阵列信号处理过程将接收的回波信号转换成声学图像像素；

图像显示器A，形成回波强度声学图像并显示。

其中，探测基阵E具有多频率基阵换能器集成，包括多频率发射换能器与接收换能器。

多个发射换能器具有不同的发射频率，但总体频率范围在10-120KHZ之间。

探测基阵E设置安装于测量船体底部，也可搭载在水面拖体下方，整体上均采用等间距直线阵结构；

如图1、图11所示，所述海底冷泉输出气体运移通量的测量方法采取走航式观测方法，以利用水体散射信号反演甲烷羽状流位置和气体运移通量。

在走航式探测过程中，动力船从前方牵引搭载有探测基阵的拖体，探测基阵位于拖体的水下部分；探测基阵具有多频率基阵换能器集成，包括多频率发射换能器与接收换能器，发射频率范围在10-120KHZ之间；探测基阵采用等间距直线阵结构。

拖体主要负载有高低频发射换能器、数据采集密封舱和电缆转换插头密封盒；

走航式探测过程中，控制拖体的航速在4-7节范围，拖体在海面上的纵、横向摇摆角度小于15°；

拖体的前端部带有与前方动力船体相连的中性拖缆；拖体距动力船船尾超过20米；拖体沉放深度3米。拖体外形设计为流线型，拖曳体外壳选用8mm的玻璃钢。

拖体的舵，其面积大约为拖体总面积的1/15；

拖曳点T位置的确定如下，浮心为拖体的几何中心，可应用下式计算：

在理论上，拖体运动时要保持姿态完全稳定，应使其六个自由度方向的合力矩为零。对于动力船牵引拖体的拖曳点T的要求是，满足作用在拖体上的浮力、重力、水动力和尾部拖缆对拖曳点T的合力矩为零。

所述海底冷泉输出气体运移通量的测量方法，是基于发射换能器在水下发送声波进行探测，通过将接收换能器接收的信号进行处理并显示为声纳图像：

海洋冷泉的主要特征为在冷泉喷口上方形成气幕，对海底冷泉进行声学探测主要利用了在声波辐射下气幕柱与海水存在的声阻抗差异而产生的声散射。气幕柱由大量微小气泡组成，提供了声学探测手段可以识别的散射体，因此海底冷泉的声学测量实质上就是对气泡群的探测。

针对冷泉气泡的声学特性分析可知，冷泉气体等效于小的球形散射体。通过图像照拍等方式可以获取相关的尺度信息。

根据气体水下分布形态情况和表面张力平衡关系，在相同的体积下球型体具有最小的表面积，所以气体符合球型散射模型。

以下是对水声探测的目标散射场特性分析，如图4所示，平面声波沿x轴方向投射到半径为a的软球边界上，考察观测点M(r,θ)处的声场。x轴为θ的零度方向。

入射平面波表示为：

p_i(x,t)＝p₀e^j(ωt-kx)＝p₀e^{j(ωt-krcosθ)} (1)

(r,θ)为M点的球坐标，ω为角频率，k＝ω/c＝2π/λ为波数，c为介质声速，λ为波长。

散射波声压p_s应满足波动方程和软球边界条件，即在球面上声压为零：

p_i+p_s＝0 (r＝a) (2)

因为声场是对称于x轴的，故取满足以x轴对称，球坐标系的波动方程的解为：

式(3)中：

a_m为常数；

P_m(x)为m阶勒让德(Legendre)多项式；

为第二类m阶汉克尔(Hankel)函数，表示由球心向外传播的波；

入射平面波可以分解为球函数的和：

式(4)中：

j_m(kr)为m阶球贝塞尔(Bessel)函数。

将1-3式和1-4式代入1-2式中，解出a_m，则p_s可以得出：

式(5)中：a代表散射球的半径,p_s代表了散射场。

如图5表示的是，发射信号的中心频率固定为20kHz时,假设软球半径分别为0.1m,0.01m,0.001m(由左至右)时的软球散射声场的指向性图。

如图6表示的是，软球半径a为0.5m固定不变时，假设发射信号的中心频率分别为20kHz,90kHz,200kHz(由左至右)的软球散射声场指向性图。波瓣变窄，零点变多，起伏也更为剧烈。

海底冷泉气泡可视为一个空腔，它的存在使介质出现了不连续性，声波在传播途中遇到气泡时产生强烈的散射过程，使得声波通过气泡群后，其强度大大减弱，这就是气泡的散射作用。

冷泉气泡在入射声波的作用下，作受迫振动，并作为次级声源向周围介质中辐射声能，这一过程需要从声波中吸取能量，导致声强的近一步衰减。气泡在入射声波作用下作受迫振动时，气泡和周围的水介质会产生热传导作用，致使部分声能变成热能而传至周围介质中。另一方面，由于流体的粘滞力作用，气泡振动时，水介质与气泡面之间的摩擦也使一部分声能变成了热能，这是气泡对声波的吸收作用。

声波在气泡群中传播时，衰弱最强，在声纳中反映出来就是回声声源级的强烈衰减。

气泡的谐振频率可表示为：

其中a为气泡半径，ρ₀为气泡周围介质密度，气泡的内在压力：P_ib＝P₀+2τ/a，τ为表面张力，P₀为1个标准大气压，对于空气来说为γ＝1.41。

如果将P₀与海水深度联系起来，则深度d处气泡的共振频率为：

其中a的单位为cm，d的单位为m，f₀的单位为kHz。

根据式(7)，若水深为1m，则频率f₀(kHz)与半径a(μm)的关系如图7所示；若固定气泡半径为100μm，则频率f₀(kHz)与深度depth(m)间的关系如图8所示。

涉及冷泉气泡对声波散射强度的计算分析如下：

设单个气泡的散射截面σ_s表示如下：

其中W_S为小气泡的散射功率，I₀＝p₀ ²/2ρc是入射声的强度，f是它的频率。ρ为周围介质中的密度，c为介质中的声速，a为气泡半径，是波数。

如图9所示，气泡半径分别为20μm，200μm，2000μm的情况下，散射截面与频率的关系。

另外，液体作用到气泡上的反应时间τ_b表示如下：

其中，ρ_b是气泡内气体的密度，ρ_f是液体密度，μ为液体流动速度，a为气泡半径。

如图10所示，描述了液体流动速度分为为0.1cm/s、1cm/s、10cm/s时，液体作用到气泡上的反应时间和气泡半径的关系。

如图12和图13所示，所述海底冷泉输出气体运移通量的测量方法，对于回声反射图像下的气泡群宽度、高度与形态等参数数据，测算出单位高度值下的气泡羽状流体含气浓度的反演过程如下：

换能器接收功率P_r可由以下公式计算获得：

其中，P_t为换能器发射功率，σ_bs为目标有效散射截面面积；

f为所探测的声学目标(即形成气泡羽状流的海底天然气泄露处，以下相同)与拖体行驶方向的夹角，a为所探测的声学目标与拖体行驶垂直方向的夹角；

G(a，f)是指向所探测声学目标的换能器增益，其大小取决于a和f的值；

r为所探测声学目标到换能器的距离，α为声衰减系数，λ为声波的波长。

围绕换能器接收功率P_r计算公式：

令

那么换能器接收功率公式简化为：P_r＝KG²(a，f)σ_bs

假定dV由多个体积微元组成，s_v是体积散射强度系数(volume backscatteringcoefficient)

即单位体积包含的散射截面，a和f用来描述换能器到体积微元角度。P_r＝∫_vG²(a，f)s_v dV

P_r＝∫_v G²(a，f)s_v dV，对其继续变形，用代替式中dV：c为声速，τ为脉冲时间，Ω为回声反射图像上火焰状气泡影像与波束之间的夹角，表达式为

令Ψ＝∫_4πG²(a，f)dΩ

对于单个海底天然气泄露处，假定喷出气泡的体积大小初始是均一的，则n是声波覆盖区域内气泡的个数，是气泡的平均散射截面面积，得到：

声学图像上火焰状气泡影像所导致的反向散射强度是由气泡的平均散射截面声波覆盖区域内气泡的总数N以及天然气泄露处与换能器的相对位置决定的。

和相等，则能够推导出

对于声学图像上的气泡数量总数N估计，在多次走航式探测过程中基于不同时长、航行方向和船速获取的数据进行综合，得出在声学图像上单位高度(如每米)下“火焰”所含气泡总量表达为，

本申请所述输出气体运移通量的测量方法，采取多次走航式观测。

单个气泡体积V与声波散射截面σ_bs的对应关系是进而，推算得到气泡羽状流体含气浓度V_∑B的计算公式，

即气泡羽状流体含气浓度V_∑B，由气泡的声散射截面σ_bs和体积反向散射强度系数S_v决定。

如图12和图13所示，基于快速成像系统、采取走航式观测。

假定测量动力船牵引拖体，以行速v扫描走航通过冷泉喷口，发射声信号利用回波观测水下喷口信息。

取发射频率为20kHz,气泡平均直径为5.2mm，ka为0.435，对于球型目标，计算Ts在-57.7dB，ka＞＞1与-79.8dB,ka＜＜1，在喷口处海底2m厚处原位采样200ml体积中有大约3600个气泡，气泡主要成分为纯度99.9％的甲烷气体。

由ROV(Remote Operation Vehicle)从喷口处采用光学图像处理观测到水体中气泡浓度为45个/升，在距喷口15.4m高处下降到1个/升，在25.8m处下降为0.2个/升。观测涌出上升速率c为25cm/s，喷口直径约20cm，所以可以换算得到涌出量为πr²c为8升/s，则每秒气泡出现数目约为360个。

气泡在上升过程中不断漂移、游动、扩散，浓度的下降也反映了这种分布的扩散。为了进行声学探测仿真，气泡随着从海底的上升而分布尺度产生扩散，并且随着上升运动而逐渐耗散。

由此建立了声学仿真声图如图12所示，图中为声学回波声图的仿真结果，色棒对应的是散射强度。利用参量条件，采用回波声图模型通过声纳方程计算回波强度，得到水体散射强度信息，显示出水下火山喷发形成的“烛焰”型回波声图。

图12仿真结果和图13中给出的实测声图具有一定的类似性，可以基本表征探测效果。

如上所述，结合附图和描述给出的方案内容，可以衍生出类似的技术方案。但凡是未脱离本发明的结构的方案内容，依据本发明的技术实质对以上描述所作的任何部件形状、尺寸、连接方式和安装结构的修改、等同变化与修饰及各组成部件位置和结构的轻微调整，均仍属于本发明技术方案的权利范围。

Claims (3)

1.一种海底冷泉输出气体运移通量的测量方法，采用探测基阵从水下发送与接收声波信号进行回声反射探测，通过后续信号转换与处理以生成气泡羽状流的声纳图像，根据图像特性来判别海底冷泉的存在与所在位置，其特征在于：

针对海底冷泉所在海域范围，采取走航式探测方法，探测声波覆盖形成气泡羽状流的天然气泄露处，测算出声纳图像中单位高度下的气泡羽状流体含气浓度V_ΣB，

其中，V_ΣB＝NV＝(S_vσ_bs-1)·(995600σ_bs ^1.3426)＝542100S_vσ_bs ^1.3426

N为声纳图像中单位高度下的羽状流气泡总数，V是单个气泡体积，σ_bs为单个气泡的声散射截面，S_v为体积反向散射强度系数。

2.根据权利要求1所述海底冷泉输出气体运移通量的测量方法，其特征在于：在走航式探测过程中，动力船从前方牵引搭载有探测基阵的拖体，探测基阵位于拖体的水下部分；

探测基阵具有多频率基阵换能器集成，包括多频率发射换能器与接收换能器，发射频率范围在10-120KHZ之间；

探测基阵采用等间距直线阵结构。

3.根据权利要求2所述海底冷泉输出气体运移通量的测量方法，其特征在于：走航式探测过程中，控制拖体的航速在4-7节范围，拖体在海面上的纵、横向摇摆角度小于15°；

对于动力船牵引拖体的拖曳点T的要求是，满足作用在拖体上的浮力、重力、水动力和尾部拖缆对拖曳点T的合力矩为零。