Система для обнаружения газогидратов

Полезная модель относится к геофизике и может применяться, например, для определения газогидратных включений в кернах донных осадков. Принцип работы системы основан на регистрации акустических сигналов при разложении газогидратов, которые регистрируются акустическим датчиком, соединенным с системой управления и обработки данных.

Полезная модель относится к геофизике, а именно к поисковым приборам для обнаружения газогидратов и может применяться, например, для определения газогидратных включений в кернах донных осадков.

Картирование месторождений 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. Кроме того, интерес к исследованию газогидратов связан с необходимостью оценки роли газогидратов в приповерхностных слоях геосферы, особенно в связи с их возможным влиянием на глобальные климатические изменения.

Для определения наличия газогидратов в донных осадках первоначально на поверхность с помощью гравитационной трубки поднимают керн донных осадков. Наличие достаточно крупных прослоек газогидратов в керне определяют визуально по характерному белому похожему на рыхлый снег цвету прослоек (Макогон Ю.Ф. Природные газовые гидраты: распространение, модели образования, ресурсы. // Российский химический журнал, т.48, 3, 2003, с.70-79).

Известно геоакустическое устройство для обнаружения газогидратов (п. РФ 58733). Принцип данного устройства основан на сравнении сигнала обратного акустического рассеяния от верхнего слоя донных осадков с фоновым сигналом. При наличии определенных отличий делается вывод о том, что в данном месте вблизи поверхности донных осадков имеются газогидраты. Недостатком данного устройства является то, что с его помощью нельзя определить газогидраты в случае их малых концентраций в осадках и нельзя получить распределение прослоек и вкраплений газогидратов в керне донных осадков.

Этих недостатков лишена система, позволяющая исследовать отобранные керны донных осадков на присутствие в них газогидратов (F.Abegg a, H.-J.Hohnberg а, Т.Papea, G.Bohrmann, J.Freitag, Development and application of pressure-core-sampling systems for the investigation of gas- and gas-hydrate-bearing sediments // Deep-Sea Research, 2008. V.55. P.1590-1599). Система состоит из гравитационной трубки, состыкованной с системой поддержания давления и температуры, и компьютерного томографа. Отобранный с помощью гравитационной трубки керн донных осадков благодаря системе поддержания давления и температуры сохраняется при исходных температуре и давлении. Это предотвращает от разрушения газогидраты, находящиеся в керне. Распределение прослоек и вкраплений газогидратов в поднятом керне в известном устройстве осуществляется с помощью компьютерного томографа.

Недостатком данного устройства является его дороговизна и то, что с его помощью невозможно оперативно исследовать длинные (метры и десятки метров) керны донных осадков, поднятые на поверхность.

Данного недостатка лишена система для исследования газогидратов DORISS (P.G.Brewera, G.Malbya, J.D.Pasterisb, S.N.Whitea, E.T.Peltzera, B.Wopenkab, J.Freemanb, M.O.Browna, Development of a laser Raman spectrometer for deep-ocean science // Deep-Sea Research, 2004. V.51. P.739-753), которая предназначена для поиска и исследования газогидратов в натурных, в том числе и подводных условиях, взятая за прототип. Известная система включает источник излучения и соединенную с ним систему управления и обработки данных. Источником излучения служит лазер, соединенный с оптическим датчиком, а система управления и обработки данных состоит из пульта управления, выходы которого соединены с анализатором спектра, устройством обработки и отображения сигнала и оптическим регистратором, выход которого соединен с устройством обработки и отображения сигнала, который в свою очередь соединен с анализатором спектра, на который поступает информация с оптического датчика.

Данная система работает следующим образом. Сигнал с пульта управления поступает на оптический регистратор, источник лазерного оптического излучения, анализатор спектра и устройство обработки и отображения сигнала. Оптический регистратор производит съемку исследуемого объекта и передает его изображение в устройство обработки и отображения сигнала. Источник лазерного излучения излучает оптическое излучение, которое поступает на датчик и далее излучается в сторону исследуемого объекта. Рассеянное от небольшой области исследуемого объекта оптическое излучение поступает в датчик и далее в анализатор спектра, сигнал с которого в виде спектра комбинационного рассеяния поступает в устройство обработки и отображения сигнала. На экране устройства обработки и отображения сигнала появляется изображение исследуемого объекта и спектр комбинационного рассеяния той области, от которой получено рассеянное оптическое излучение. По виду спектра комбинационного рассеяния делается вывод о наличии в данной области газогидратов.

Система позволяет оперативно обнаруживать газогидраты и определять наличие прослоек и вкраплений газогидратов в керне донных осадков, однако недостатком ее является дороговизна и относительно большие размеры (порядка одного кубического метра) и вес (больше 100 кг), что делает затруднительным проведение исследований в полевых условиях.

Задачей полезной модели является разработка системы, позволяющей проводить исследования в полевых условиях.

Технический результат - упрощение, уменьшение размеров и веса устройства, а также снижение стоимости системы.

Поставленная задача решается системой для обнаружения газогидратов, состоящей из акустического датчика и соединенной с ним системы управления и обработки данных, включающей пульт управления, соединенный с оптическим регистратором и устройством обработки и отображения сигнала, соединенными между собой, при этом акустический датчик, соединен с пультом управления и устройством обработки и отображения сигнала через усилитель.

Заявляемая система для обнаружения газогидратов работает следующим образом. Сигнал с пульта управления поступает на усилитель, устройство обработки и отображения сигнала и оптический регистратор. Оптический регистратор производит съемку исследуемого объекта и передает его изображение в устройство обработки и отображения сигнала. Сигнал от акустического датчика, расположенного вблизи поверхности исследуемого объекта, поступает на усилитель и далее в устройство обработки и отображения сигнала. На экране устройства обработки и отображения сигнала появляются изображение исследуемого объекта и акустический сигнал. По величине амплитуды акустического сигнала делается вывод о наличии газогидратов в данной области исследуемого объекта.

На фиг. представлена блок-схема заявляемого устройства, где 1 - пульт управления, 2 - усилитель, 3 - устройство обработки и отображения сигнала, 4 - оптический регистратор, 5 - акустический датчик.

Принцип работы заявляемого устройства для обнаружения газогидратов основан на том, что, как оказалось, газогидраты при разложении излучают акустические сигналы. Проведенные авторами исследования с использованием искусственно созданных в лаборатории газогидратов метана показали, что спектр акустических сигналов, излучаемых вкраплениями газогидратов при их разложении, находится в диапазоне 1-5 кГц, а амплитуда этих сигналов достаточна для их надежной регистрации с помощью обычных акустических датчиков. Разложение газогидратов в керне происходит из-за того, что при поднятии керна на поверхность уменьшается давление, а в некоторых случаях увеличивается температура. Если значения комбинации температура/давление оказывается вне области стабильности газогидратов (Макогон Ю.Ф. Природные газовые гидраты: распространение, модели образования, ресурсы. // Российский химический журнал, т.48, 3, 2003, с.70-79), то они начинают разлагаться. Так, газогидрат метана разлагается на газообразный метан и воду. Разложение сопровождается выделением большого количества газа, что приводит к частичному разрушению структуры газогидратов и донных осадков (А.И.Обжиров, История открытия газогидратов в Охотском море // Подводные исследования и робототехника, 2006. Т.2. С.72-82). Такие разрушения сопровождаются генерацией акустического сигнала. В случае, когда с помощью заявляемого устройства определяются вкрапления газогидратов в поднятом на поверхность керне донных осадков, акустический датчик устанавливается вблизи поверхности керна.

Достижение заявленного технического результата, а именно, упрощение, уменьшение стоимости, размеров и веса происходит за счет изменения принципа регистрации газогидратов. В данном случае газогидраты определяются не по характерному для них спектру комбинационного рассеяния оптического сигнала, получаемому при облучении образца лазерным излучением, а по уровню акустического сигнала, регистрируемого от газогидратов при их разрушении. Технически это достигается тем, что в системе используют акустический датчик, соединенный с усилителем, выход которого соединен с устройством обработки и отображения сигнала.

Конкретное аппаратурное оформление заявляемой системы, а именно, пульт управления, устройство обработки и отображения сигнала, оптический регистратор, акустический датчик и усилитель являются стандартными и их характеристики зависят от поставленной задачи измерения, требуемой точности, разрешающей способности, быстродействия, акустических характеристик шума в месте измерения. В качестве оптического регистратора может быть использована любая стандартная цифровая видеокамера. В качестве акустического датчика может быть использован любой стандартный микрофон, работающий в данной области частот, а устройство обработки и отображения сигнала может быть выполнено на базе персонального компьютера или на микропроцессоре.

Авторами был создан и испытан в лабораторных условиях вариант заявляемой системы для обнаружения газогидратов. В качестве оптического регистратора использовалась цифровая видеокамера DCM510, имеющая выход USB 2.0. Акустический датчик был выполнен на базе электретного микрофона МКЭ-392 с диапазоном рабочих частот 150-7000 Гц, массой 3 г, внешним диаметром 8.5 мм и рабочей температурой окружающей среды от -40°С до 100°С. Устройство обработки и отображения сигнала выполнено на базе персонального компьютера «Pentium 4». Проведенные авторами исследования, показали, что созданный вариант заявляемого устройства для обнаружения газогидратов позволяет уверенно регистрировать вкрапления газогидратов размером от 0.3 мм и с его помощью можно получить распределение газогидратов вдоль протяженного образца, например, керна донных осадков.

В случае, если требуется не только качественно определять имеются ли в данном керне вкрапления газогидратов, но и оперативно получать распределение прослоек и вкраплений газогидратов вдоль длины керна донных осадков, акустический датчик может быть выполнен многоканальным. Такой датчик, например, может быть выполнен линейным и состоять из необходимого количества равноудаленных друг от друга приемников акустического сигнала. В этом случае разрешение по пространству в распределении вкраплений газогидратов определяется линейными размерами приемников акустического сигнала и расстоянием между соседними приемниками. При использовании такого акустического датчика на экране устройства обработки и отображения сигнала появятся изображение участка керна с расположенным параллельно ему акустическим датчиком и распределение амплитуд акустических сигналов по длине акустического датчика. В тех местах керна, в которых амплитуда акустического сигнала выше, будет больше газогидратов. Места, в которых амплитуда акустического сигнала не превышает фонового значения, соответствуют местам керна, в которых газогидраты отсутствуют.

Стоимость, размер и вес созданного устройства на несколько порядков ниже аналогичных показателей прототипа, поскольку в заявляемом устройстве отсутствуют дорогостоящие, объемные и тяжелые оптические устройства: источник лазерного оптического излучения и анализатор спектра.

Таким образом, разработанная система для обнаружения газогидратов, позволила достичь заявленного технического результата, а именно, упростить систему, уменьшить ее стоимость, размер и вес.

1. Система для обнаружения газогидратов, состоящая из акустического датчика и соединенной с ним системы управления и обработки данных, включающей пульт управления, соединенный с оптическим регистратором и устройством обработки и отображения сигнала, при этом акустический датчик, соединен с пультом управления и устройством обработки и отображения сигнала через усилитель.

2. Система по п.1, отличающаяся тем, что акустический датчик выполнен многоканальным.