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. Для повышения эффективности система дополнительно содержит излучатель электромагнитных волн, с помощью которого происходит нагрев участка поверхности образца.
Полезная модель относится к геофизике, а именно к устройствам 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 известного 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 известного устройства является то, что его помощью нельзя определить газогидраты в случае их малых концентраций в осадках и нельзя получить распределение прослоек и вкраплений газогидратов в керне донных осадков.
Известна 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 натуральных в том числе и подводных условиях. 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 анализатор спектра на который поступает информация с оптического датчика. Данная система позволяет оперативно обнаруживать газогидраты и определять наличие прослоек и вкраплений газогидратов в керне донных осадков, однако недостатком ее является дороговизна, большие размеры (порядка одного кубического метра) и вес (более 100 кг), что затрудняет проведение исследований в полевых условиях.
Наиболее близкой к заявляемому решению является система для обнаружения газогидратов (п. РФ 115928). Система состоит 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. Акустический датчик системы соединен с пультом управления и устройством обработки и отображения сигнала через усилитель.
Известная система работает следующим образом. Сигнал с пульта управления поступает на усилитель, устройство обработки и отображения сигнала и на 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 в данной области исследуемого объекта газогидратов.
Недостатком известной системы является ее низкая эффективность при низких температурах окружающего воздуха, например, в случае исследования кернов в зимних условиях. Низкая эффективность в данном случае связана с фактом, что с уменьшением температуры Т при Т<0°С интенсивность разложения газогидратов уменьшается. При этом уменьшается амплитуда излучаемых при разложении газогидратов акустических сигналов. Кроме того, в некоторых случаях при Т<0°С проявляется эффект самоконсервации газогидратов (Е.М.Чувилин, Е.В.Козлова Исследования формирования мерзлых гидратосодержащих пород // Криосфера Земли, 2005, Т.IX, 1, с.73-80), и их разложение прекращается. При этом из области с вкраплениями газогидратов акустические сигналы вообще прекращаются излучаться.
Задачей полезной модели является повышение эффективности обнаружения газогидратов.
Поставленная задача решается системой для обнаружения газогидратов, состоящей из акустического датчика и соединенной с ним системы управление 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, при этом система управления и обработки данных дополнительно содержит излучатель электромагнитных волн, соединенный с пультом управления.
На фиг.1 представлена блок-схема заявляемого устройства.
Система для обнаружения газогидратов состоит из пульта управления (1), усилителя (2), устройства обработки и отображения сигнала (3), оптического регистратора (4), акустического датчика (5) и излучателя электромагнитных волн (6).
Принцип работы заявляемого устройства для обнаружения газогидратов основан на регистрации акустических сигналов разлагающимися газогидратами. 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.
Для увеличения уровня акустического сигнала в заявляемом устройстве производится контролируемый нагрев поверхности исследуемого образца, сопровождающийся усилением разложения газогидратов.
Достижение заявленного технического результата, а именно повышение эффективности обнаружения газогидратов происходит за счет излучателя электромагнитных волн (6), соединенного с пультом управления (1) вследствие чего происходит нагревание поверхности исследуемого образца.
Система для обнаружения газогидратов работает следующим образом. Команда с пульта управления (1) поступает на усилитель (2), устройство обработки и отображения сигнала (3), оптический регистратор (4), и излучатель электромагнитных волн (6). Излучение от излучателя электромагнитных волн (6) падает на поверхность исследуемого объекта, частично поглощается ею, за счет чего происходит ее нагрев. При нагреве поверхности образца вкрапления газогидратов начинают активно разлагаться, излучая акустический сигнал. Акустический сигнал принимается акустическим датчиком (5), поступает на усилитель (2) и далее в устройство отображения сигнала (3). Оптический регистратор (4) производит съемку исследуемого объекта и передает его изображение также в устройство обработки и отображения сигнала (3). На экране устройства обработки и отображения сигнала (3) появляются изображение поверхности образца и акустический сигнал. По величине амплитуды акустического сигнала делается вывод о наличии в данной области исследуемого объекта газогидратов.
Конкретное аппаратурное оформление заявляемого устройства, а именно, пульт управления, устройство обработки и отображения сигнала, оптический регистратор, акустический датчик, усилитель и излучатель электромагнитных волн являются стандартными и их характеристики зависят от поставленной задачи измерения, требуемой точности, разрешающей способности, быстродействия, акустических характеристик шума и температуры окружающей среды в месте измерения. В качестве оптического регистратора может быть использована любая стандартная цифровая видеокамера. В качестве акустического датчика может быть использован любой стандартный микрофон, устройство обработки и отображения сигнала может быть выполнено на базе персонального компьютера или на микропроцессоре, а излучатель электромагнитных волн может быть выполнен, например, с применением полупроводникового лазера или светодиода инфракрасного диапазона длин волн, излучение которого хорошо поглощается водой и водонасыщенными образцами.
Заявителем был создан и испытан в лабораторных условиях вариант заявляемого устройства для обнаружения газогидратов. В качестве оптического регистратора использовалась цифровая видеокамера DCM510, имеющая выход USB2.0. 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». В качестве излучателя электромагнитных волн использовался полупроводниковый лазер ЛСП-1.56 (ИРЭ ПОЛЮС) с длиной волны 1.56 мкм. Проведенные заявителем исследования показали, что созданный вариант заявляемого устройства для обнаружения газогидратов позволяет уверенно регистрировать вкрапления газогидратов размером от 300 мкм при температурах до -38°С.
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 разметами 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.
Таким образом, совокупность всех существенных признаков предложенной системы, в том числе использование излучателя электромагнитных волн, позволяет получить заявленный технический результат, а именно повысить эффективность обнаружения газогидратов.
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, отличающаяся тем, что система управления и обработки данных дополнительно содержит излучатель электромагнитных волн, соединенный с пультом управления.
2 Система по п.1, отличающаяся тем, что акустический датчик выполнен многоканальным.
