RU70377U1 - Газогеофизический комплекс для обнаружения подводных выходов газогидратов - Google Patents

Abstract

Газогеофизический комплекс для обнаружения подводных выходов газогидратов относится к поисковым устройствам для обнаружения газогидратов на дне океанов, морей и других водоемов вблизи поверхности дна. Комплекс состоит из геоакустического и газогеохимического блоков, связанных с системой регистрации и обработки получаемых данных, выполненной на базе портативного компьютера. Геоакустический блок включает генератор электрических импульсов, соединенный с входом-выходом электроакустического преобразователя, выход которого соединен с входом усилителя, соединенного с системой регистрации и обработки данных и тремя интеграторами электрических сигналов, выходы двух из которых соединены с системой регистрации и обработки данных через делитель аналоговых сигналов, а выход третьего интегратора соединен с системой регистрации и обработки данных напрямую. Газогеохимический блок представляет собой газовый хроматограф, снабженный пробоотборником и вакуумной камерой. За счет одновременного проведения и анализа геоакустических и газогеохимических измерений значительно повышается эффективность и надежность определения выхода подводных газогидратов.

Description

Полезная модель относится к геофизике, а именно к поисковым устройствам для обнаружения газогидратов на дне океанов, морей и других водоемов вблизи поверхности дна.

Газогидраты - соединение газа и воды, в котором молекулы газа внедряются в пустоты кристаллических структур, составленных из молекул воды, по внешнему виду напоминают спрессованный снег. Газогидраты метана обнаруживаются повсеместно в донных осадках Мирового океана и, как правило, расположены на глубине в сотни и более метров от поверхности дна. На некоторых участках морского дна газогидраты располагаются вблизи поверхности морского дна на глубинах до 10 м. Во многих случаях, области приповерхностных газогидратов связаны с имеющимися в этих местах разломах структур морского дна, по которым метан может подниматься из глубинных слоев осадков к поверхности морского дна (http://www.seajournal.ru/articles/arhiv/gaz/). Обнаружение газогидратов на морском дне является актуальной задачей, поскольку углеводороды в ближайшем будущем могут заменить в качестве сырья нефть, запасы которой на Земле ограничены. При этом особенную ценность из-за относительной дешевизны добычи представляют запасы углеводородного сырья, расположенного вблизи поверхности морского дна.

Известны устройства, основанные на использовании мощных низкочастотных звуковых волн, например, представленный на сайте http://web.uvic.ca/ceor/hydrates/2003/workshop_2003-17_wood.pdf. 12.03.2003.

Однако использование таких систем представляет большую экологическую опасность из-за травмирования морских животных мощными низкочастотными звуковыми волнами, распространяющимися в океане на большие расстояния.

Известно устройство для обнаружения просачивания газа с поверхности морского дна в воду, работающее на высокой частоте (США П. №6578405). Оно состоит из генератора ультразвуковых колебаний, выход которого соединен с входом-выходом преобразователя, вход-выход которого соединен с детектором пузырьков. Устройство работает следующим образом. Генератор ультразвуковых колебаний вырабатывает колебания определенной частоты, преобразователь преобразовывает электрические колебания в ультразвуковые и излучает их в воду. Ультразвуковые колебания инициируют образование в воде пузырьков из растворенного газа. Количество этих пузырьков при постоянной мощности генератора зависит от концентрации

растворенного в воде газа и увеличивается при увеличении концентрации. Образовавшиеся вблизи преобразователя пузырьки изменяют импеданс воды, в результате чего амплитуда электрических колебаний на входе-выходе преобразователя изменяется. Величина этого изменения определяется с помощью детектора пузырьков. По величине сигнала с выхода детектора пузырьков судят о концентрации газа в воде. Для определения газогидратов, расположенных вблизи поверхности морского дна, данное устройство буксируется вблизи морской поверхности.

Недостатком данного устройства является очень незначительный объем, в котором определяется концентрация растворенного газа, что практически не позволяет обнаружить с его помощью выделения пузырьков газа с морского дна в виде «газовых факелов». Кроме этого данное устройство не позволяет определять очень низкие концентрации газа, что приводит к необходимости проведения измерений очень близко (десятки метров) к поверхности дна, что значительно сужает территорию исследований.

Известно использование высокочастотных (10-30 кГц) эхолотов для регистрации приповерхностных областей газогидратов по пузырькам газа, поднимающимся со дна из этих областей, и зачастую образующим в водной толще устойчивые области их повышенной концентрации - "газовые факела" (ГФ). На эхолотных записях ГФ наблюдаются в виде областей повышенного уровня сигнала обратного рассеяния, простирающихся от дна на высоту от нескольких десятков до сотен метров. При отображении на регистраторе-самописце или экране эхолота «газовые факела» обычно представляют протяженные, наклонные области более темного по сравнению с фоном оттенка (Саломатин А.С., Юсупов В.И. Газовые факела Охотского моря // Акустика океана. Атмосферная акустика. Сборник трудов XIII сессии Российского акустического общества. М.: ГЕОС, 2003. Т.4. С.145-148; Salomatin A., loussoupov V., Otroshchenko, O. Acoustic investigations of Okhotsk Sea gas plumes in the water column and at the seafloor // Fifth Workshop on Russian-German Cooperation in the sea of Okhotsk-Kurile Island Arc System, Program and Abstracts. Vladivostok. 2004. P.40; Greinert J., Artemov Y., Egorov V., De Batist М., Daniel McGinnis D. 1300-m-high rising bubbles from mud volcanoes at 2080 m in the Black Sea: Hydroacoustic characteris-tics and temporal variability // Earth and Planetary Science Let. 2006. V.244. P.1-15).

Известен стационарный гидроакустический комплекс, основу которого составляют модернизированные судовые эхолоты Сарган-ЭМ, ELAC, два гидролокатора Сарган-ГМ и многоканальная система цифровой регистрации гидролокационных сигналов. Гидроакустический комплекс способен обнаружить залежи приповерхностных газогидратов по регистрации скопления пузырьков, выходящих из этих областей в

водную толщу. Комплекс излучает в направлении дна короткие импульсы длительностью 0.8, 3 и 10 мс на частотах 12 и 19,7 кГц и принимает акустический сигнал, рассеянный в обратном направлении, что позволяет регистрировать отдельные пузырьки и газовые факела в водной толще практически от поверхности моря до глубин более одного километра (Саломатин А.С., Юсупов В.И. Газовые факела Охотского моря // Сб. тр. 13 сессии РАО. 2003. Т.4. С.145-148.). Каждый акустический канал гидроакустического комплекса состоит из генератора электрических импульсов, сигнал с выхода которого поступает на вход-выход электроакустического преобразователя, вмонтированного в дно судна на глубине около 4,5 м ниже ватерлинии. С выхода преобразователя эхосигнал поступает на вход усилителя, и далее усиленный сигнал поступает на вход регистратора, выполненного на базе компьютера, где после преобразования визуализируется на экране в виде эхограммы. Электрический импульс, поступающий на вход электроакустического преобразователя, преобразуется в звуковую волну, которая распространяется в сторону дна. Звуковая волна отражается от неоднородностей плотности и скорости звука в водной толще, от поверхности дна и от неоднородностей плотности и скорости звука в толще морского дна и в виде эхосигнала возвращается в обратном направлении к электроакустическому преобразователю, который преобразует ее в электрический сигнал. Усилитель усиливает эхосигнал, который после преобразования визуализируется на экране компьютера в виде эхограммы. На эхограмме появляется изображение всех рассеивавших в обратном направлении звук объектов. Процесс повторяется раз в одну или несколько секунд (Саломатин А.С., Юсупов В.И. Газовые факела Охотского моря // Сб. тр. 13 сессии РАО, 2003, Т.4. С.145-148).

Недостатком известного гидроакустического комплекса является то, что он неспособен обнаружить выходы газогидратов к поверхности морского дна в случаях «спящего» ГФ, когда по каким-либо причинам процесс выделения газа прекратился. Причинами прекращения выделения газа областями приповерхностных газогидратов могут быть, например, уменьшение глубинного теплового потока или охлаждение придонных вод.

Известно устройство стационарного типа для обнаружения газогидратов вблизи поверхности морского дна (п. США №6859038). Устройство состоит из генератора электрических колебаний, дипольной излучающей антенны, дипольной приемной антенны, усилителя и измерителя фазы между излучаемым и принимаемым сигналами. Устройство работает следующим образом. Антенны устанавливаются на морском дне на некотором расстоянии друг от друга. Генератор электрических колебаний вырабатывает

излучение, которое излучается в воду с помощью излучающей антенны. Приемная антенна принимает рассеянную от донных осадков электромагнитную волну, которая затем усиливается усилителем и подается на один канал измерителя фазы, на другой канал которого подается сигнал от генератора электрических колебаний. Сигнал с выхода измерителя фазы зависит от расстояния между антеннами и характеристик донных осадков. Наличие газогидратов вблизи поверхности дна изменяет характеристики донных осадков, и при одинаковом расстоянии между антеннами приводит к изменению сигнала на выходе измерителя фаз. По величине сигнала на выходе измерителя фаз судят о наличии или отсутствии газогидратов вблизи морской поверхности.

Недостатком данного устройства является необходимость установления антенн на морском дне, что приводит к большой стоимости и продолжительности работ по исследованию распределения газогидратов, расположенных вблизи поверхности морского дна.

Известно геоакустическое устройство для обнаружения выходов газогидратов к поверхности морского дна, выбранное в качестве прототипа (п. РФ №58733 U1). Принцип действия геоакустического устройства основан на повышении уровня приповерхностного донного рассеяния (обычно в диапазоне 0-20 мс) и более быстрым падением уровня обратного рассеяния с глубиной (обычно начиная с 20 мс) в области залегания приповерхностных газогидратов, а также повышенным уровнем объемного рассеяния в виде характерного «газового факела» в водной толще.

Известное устройство состоит из генератора электрических импульсов, выход которого соединен с входом-выходом электроакустического преобразователя, выход которого соединен с входом усилителя, выход которого соединен с входом компьютера, устройство содержит два интегратора электрических сигналов, делитель аналоговых сигналов и систему регистрации, при этом входы интеграторов связаны с выходом усилителя, а выходы с входами делителя аналоговых сигналов, соединенного с системой регистрации.

Недостатком геоакустического устройства является его неспособность регистрировать газ, выделяющийся в водную толщу из областей залегания газогидратов диффузно и в виде газовых пузырьков очень маленьких размеров, так как из теоретической акустики известно, что если размер пузырька меньше резонансного размера, он становится «невидимым» для эхолотов и гидролокаторов. Еще одним недостатком является то, что известное устройство позволяет определять области газогидратов по сигналу обратного рассеяния в водной толще в реальном масштабе

времени только при наличии оператора, который определяет эти области визуально по появлению на экране системы регистрации характерных «газовых факелов». Кроме того, в отдельных случаях и скопление биологического субстрата в водной толще отображается на экране системы регистрации как область повышенного рассеяния, похожая на «газовый факел», что снижает эффективность и надежность обнаружения газогидратов.

Задачей заявляемой полезной модели является повышение эффективности и надежности обнаружения подводных выходов газогидратов, расположенных вблизи поверхности морского дна.

Поставленная задача решается газогеофизическим комплексом для обнаружения подводных выходов газогидратов, состоящим из геоакустического и газогеохимического блоков, соединенных с блоком регистрации и обработки данных, при этом геоакустический блок включает генератор электрических импульсов, выход которого соединен с входом-выходом электроакустического преобразователя, выход которого соединен с входом усилителя, соединенного с системой регистрации и обработки данных и тремя интеграторами электрических сигналов, выходы двух из которых соединены с системой регистрации и обработки данных через делитель аналоговых сигналов, выход третьего интегратора соединен с системой регистрации и обработки данных, а газогеохимический блок представляет собой газовый хроматограф, снабженный пробоотборником и вакуумной камерой.

Блок-схема заявляемого комплекса представлена на фиг.1, где 1 - генератор электрических импульсов, 2 - электроакустический преобразователь, 3 - усилитель, 4, 5 и 6 - интеграторы электрических сигналов, 7 - делитель аналоговых сигналов, 8 - пробоотборник, 9 - вакуумная установка, 10 - газовый хроматограф, 11 - система регистрации и обработки данных.

Заявляемое устройство работает следующим образом. Генератор 1 электрических импульсов периодически выдает электрические импульсы, которые поступают на вход электроакустического преобразователя 2, который преобразует их в звуковую волну и посылает ее в воду. Звуковая волна отражается от неоднородностей водной толщи, поверхности дна и неоднородностей морского дна и возвращается к электроакустическому преобразователю 2, который преобразует ее в электрический сигнал, поступающий на вход усилителя 3. Усилитель 3 усиливает, выпрямляет этот сигнал и посылает на систему 11 регистрации и обработки данных и интеграторы 4, 5 и 6 электрических сигналов. Система 11 регистрации и обработки данных осуществляет запись информации и ее визуальное отображение, например, в виде эхограммы на

экране монитора. При прохождении над областью приповерхностных газогидратов, из которой выделяются пузырьки газа, на экране системы 11 регистрации появляется изображение областей повышенного рассеяния в виде "газовых факелов". Сигналы с выходов интеграторов 5 и 6 поступают на вход делителя 7 аналоговых сигналов, на выходе которого появляется сигнал, равный частному от деления интегральных интенсивностей сигнала с выхода интегратора 5 на интегральные интенсивности сигнала с выхода интегратора 6. Сигнал с выхода делителя 7 поступает на вход системы 11 регистрации, которая отображает полученный сигнал, например в виде графика под эхограммой. Сигнал с выхода интегратора 4 поступает непосредственно на вход системы 11 регистрации и обработки данных и отображается, например, в виде графика или изображения под эхограммой. Одновременно с проведением геоакустических измерений с помощью пробоотборника 8 производится отбор проб воды с различных горизонтов, из которых с помощью вакуумной установки 9 производится экстракция газов, анализируемых затем на газовом хроматографе 10. Данные с хроматографа 10 о качественном и количественном составе газов поступают в систему 11 регистрации и обработки данных, которая отображает их, например, в виде графиков под эхограммой или непосредственно на эхограмме в местах, соответствующих конкретному месту взятия пробы. Анализируя данные, полученные от геоакустического и газогеохимического блоков, система 11 регистрации и обработки данных делает вывод о наличии газогидратов на данном участке морского дна и их составе. При регистрации области повышенного рассеяния в водной толщи, но отсутствии данных с газогеохимического блока о повышенной концентрации углеводородных газов в водной толще, делается вывод об отсутствии газогидратов. В этом случае повышенное рассеяние связано не с присутствием газогидратов, а с наличием биологического субстрата, например, рыбной стаи или скопления крупного планктона.

Конкретное аппаратурное оформление заявляемого комплекса, а именно, конструктивные элементы геоакустического и геохимического блоков, являются стандартными и их характеристики определяются поставленной задачей измерения и требуемой точностью.

Интеграторы выполняют на стандартных микросхемах, транзисторах или с применением обычного микропроцессора. Система 11 регистрации и обработки данных представляет собой, например, персональный компьютер или может быть выполнена на базе микропроцессоров. В качестве пробоотборника 8 может использоваться пробоотборник, позволяющий проводить отбор проб, как в дрейфе, так и на ходу судна. Например, для отбора проб на станциях в дрейфе судна возможно использование

стандартного океанологического зонда - СТД комплекса "Rosette". В качестве газового хроматографа может использоваться, например, газовый хроматограф «КристалЛюкс - 4000 М».

Принцип действия заявляемого комплекса основан на том, что области осадков, в которых располагаются приповерхностные газогидраты, отличаются от соседних областей и по акустическим характеристикам и по химическому составу газов. Изменение акустических характеристик в верхнем слое донных осадков регистрируют по характерным особенностям сигнала обратного рассеяния от морского дна. На участках морского дна, где вблизи поверхности располагаются газогидраты, сигнал обратного рассеяния от приповерхностной области осадков больше, а от более глубоких слоев - меньше, чем в фоновых областях. Поэтому на этих участках сигнал с одного из интеграторов, интегрирующего сигнал обратного рассеяния в приповерхностном слое осадков (обычно в диапазоне 0-20 мс ниже поверхности морского дна) больше, а сигнал с другого интегратора, интегрирующего сигнал обратного рассеяния в более глубоких слоях осадков (обычно в диапазоне 20-60 мс ниже поверхности морского дна) меньше, чем в фоновых областях. Поэтому сигнал с выхода делителя, осуществляющего деление сигнала с первого интегратора на сигнал со второго интегратора, в данных областях будет больше, чем в фоновых. Это увеличение отображается на экране системы 11 регистрации и обработки данных. Кроме этого выделение достаточно крупных пузырьков газа отображается также на экране системы 11 регистрации и обработки данных в виде изображения «газового факела» на эхограмме. На участках морского дна, где вблизи поверхности дна выделяются газовые пузырьки или наблюдается скопление биологического субстрата, сигнал обратного рассеяния от придонной области больше, чем в фоновых областях. Поэтому на этих участках сигнал с интегратора 4, интегрирующего сигнал обратного рассеяния в придонной области водного столба (обычно в диапазоне 0-200 мс выше поверхности морского дна) больше, чем в фоновых областях. Это увеличение отобразится на эхограмме и это событие зарегистрируется в памяти системы 11 регистрации и обработки данных. Одновременно с проведением геоакустических измерений в водной толще определяют состав газа и его концентрацию с использованием блока газогеохимического анализа, а затем путем сравнения значений полученных показателей с аналогичными значениями соседних (фоновых) областей и геоакустических данных система 11 регистрации и обработки данных на основании заданного алгоритма делает вывод о наличии или отсутствии газовых гидратов в водной толще.

Введение в геоакустическую систему третьего интегратора 4, напрямую связанного с системой 11 регистрации и обработки данных, позволяет автоматизировать выявление области повышенного рассеяния в водной толще вблизи поверхности морского дна, при этом одновременное определение состава и концентрации газа в областях повышенного рассеяния значительно увеличивает эффективность и надежность определения выхода подводных газогидратов и уменьшает вероятность ложных сигналов, вызванных наличием биологического субстрата в водной толще.

Натурные испытания устройства были проведены в рейсе НИС "Академик М.А.Лаврентьев" на шельфе о. Сахалин в Охотском море.

Газогеофизический комплекс для обнаружения газогидратов включал генератор электрических импульсов, вырабатывающий сигналы длительностью 0,8 мс с частотой заполнения 12 кГц, поступающие на электроакустический преобразователь пьезоэлектрического типа, вмонтированный в дно судна на глубине 4,5 м ниже ватерлинии. Ультразвуковые сигналы излучались и принимались в вертикальном направлении. Усилитель, соединенный с электроакустическим преобразователем с помощью гибкого кабеля, осуществляет усиление и выпрямление принятого электроакустическим преобразователем эхо-сигнала. Сигнал с усилителя подается на систему регистрации и обработки данных, выполненную на базе компьютера Silvio с процессором AMD Athlon и двумя звуковыми картами S.B.Creative SB-128 Compact PCI (CT5808) с соответствующим программным обеспечением, и отображается на его экране в виде эхограммы. Сигнал с усилителя подается также на входы трех интеграторов, собранных на базе обычного микропроцессора. Первый интегратор производит интегрирование сигнала обратного рассеяния звука от поверхности дна до глубины дна 20 мс, второй - от 20 мс до глубины 60 мс. Третий интегратор производит интегрирование сигнала обратного рассеяния звука в водном столбе высотой 200 мс, расположенном над поверхностью морского дна. Сигнал с выходов первых двух интеграторов поступает на входы делителя аналоговых сигналов, а затем на вход системы сбора и обработки данных. Сигнал с выходов третьего интегратора поступает на вход системы сбора и обработки данных. Сигнал с выходов третьего интегратора поступает на вход системы сбора и обработки данных. Определение интервалов интегрирования интеграторов и пороговых значений осуществлялось путем анализа сигналов обратного рассеяния звука от трех предварительно определенных по «газовым факелам» областей выхода газогидратов к поверхности морского дна.

Одновременно в исследуемом районе проводился анализ растворенного в воде газа. Для этого пробоотборником 9 (система «СТД система «Rosetta») отбирались пробы

воды на различных горизонтах, начиная с придонного слоя воды - в 1 м выше от поверхности дна. Затем из проб воды с помощью вакуумной установки, собранной на базе вакуумного насоса ВМ-461, экстрагировался газ, который затем анализировался на газовом хроматографе «КристалЛюкс - 4000 М» на углеводородные газы - метан, этан, пропан, бутан, пентан и их гомологи, углекислый газ, кислород, азот и иногда водород и гелий, и полученные данные поступали на вход системы регистрации и обработки данных и отображались непосредственно на эхограмме в местах, соответствующих местам отбора проб, в виде названия конкретного газа (например метана - CH₄) и его концентрации в нл/л (нанолитры газа на литр воды). Качество анализа контролировалось эталонными образцами газов по стандартной методике.

После установки необходимых интервалов интегрирования интеграторов и пороговых значений выполняют гидроакустическую съемку во всем районе исследований. Наличие приповерхностных газогидратных областей определялось по превышению величины сигнала на выходе делителя определенного порогового значения П1=2, по превышению сигнала на выходе третьего интегратора порогового значения П2=20 и по превышению концентраций растворенного в воде газа фоновых значений, которые во всем районе наблюдений не превышали величины 200 нл/л.

На фиг.2 представлены результаты экспериментальных исследований, полученные с использованием заявляемого комплекса на НИС «Лаврентьев» при исследовании в Охотском море около северо-восточной части о. Сахалин, где а - эхограмма ГФ, б - амплитуда сигнала с выхода делителя 7, в - амплитуда сигнала с выхода интегратора 4. Использование комплекса при дрейфе над участком дна с глубиной около 400 м позволило выявить область залегания приповерхностных газогидратов по всем трем параметрам: по особенностям сигнала обратного рассеяния от дна (кривая К1 на фиг.2, б), по особенностям сигнала обратного рассеяния от водной толщи (кривая К2 на фиг.2 в), эхограмма ГФ на фиг.2, а и по концентрации растворенного метана («СН4 12000» на фиг.2, а). Наличие газогидратов в данном месте было подтверждено затем исследованием донных осадков, поднятых с помощью грунтовых трубок.

Таким образом, аномальные поля метана в придонной воде в комплексе с гидроакустическими аномалиями являются достоверными признаками наличия площадей приповерхностных газогидратов. Заявляемый комплекс позволил выявить в Охотском море несколько десятков областей газогидратов, расположенных вблизи поверхности морского дна.

Claims (2)

1. Газогеофизический комплекс для обнаружения подводных выходов газогидратов, состоящий из геоакустического блока, включающего генератор электрических импульсов, электроакустический преобразователь, усилитель, два интегратора электрических сигналов, делитель аналоговых сигналов и систему регистрации и обработки данных, при этом выход генератора соединен с входом-выходом электроакустического преобразователя, выход которого соединен с входом усилителя, выход которого соединен с входами двух интеграторов электрических сигналов, которые через делитель аналоговых сигналов соединены с системой регистрации и обработки данных, отличающийся тем, что комплекс дополнительно содержит газогеохимический блок, состоящий из газового хроматографа, соединенного с системой регистрации и обработки данных и снабженного соединенным через вакуумную камеру пробоотборником, а геоакустический блок дополнительно снабжен третьим интегратором, установленным между усилителем и системой регистрации и обработки данных.

2. Газогеофизический комплекс по п.1, отличающийся тем, что система регистрации и обработки данных выполнена в виде персонального компьютера или на микропроцессорах.