СПОСОБ ОЦЕНКИ ПОТОКА МЕТАНА В АТМОСФЕРУ, ПЕРЕНОСИМОГО ВСПЛЫВАЮЩИМИ ПУЗЫРЬКАМИ, ВЫХОДЯЩИМИ ИЗ ВЕРХНЕГО СЛОЯ ОСАДОЧНЫХ ПОРОД НА ДНЕ ВОДОЕМА, И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF ESTIMATING THE FLOW OF METHANE INTO THE ATMOSPHERE, WHICH IS CARRIED BY FLOATING BUBBLES EMERGING FROM THE UPPER LAYER OF SEDIMENTARY ROCKS AT THE BOTTOM OF THE WATER RESERVOIR, AND A DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретения относятся к геофизике, а именно к средствам для оценки потока газа и могут быть использованы для оценки потока метана, переносимого всплывающими пузырьками, выходящими из верхнего слоя осадочных пород на дне водоема в атмосферу, например, для моделирования поступления тепличного газа метана из океана в атмосферу.
Известен способ оценки потока метана, переносимого всплывающими в водоемах пузырьками [RU 150012 U1, МПК G01S 15/02 (2006.01), опубл. 27.01.2015], который включает предварительную калибровку судового эхолота, заключающуюся в том, что из опущенного на дно водоема сопла выпускают заданный поток пузырьков газа, а с помощью эхолота определяют уровень сигнала обратного рассеяния звука от всплывающих пузырьков. Изменяя поток газа, получают калибровочную кривую, связывающую уровень сигнала эхолота с потоком газа у дна водоема. С помощью калибровочной кривой по уровню сигнала эхолота определяют поток метана у дна в естественных условиях.
Для осуществления этого способа предназначено устройство для оценки потока метана, переносимого всплывающими в водоемах пузырьками [RU 150012 U1, МПК G01S 15/02 (2006.01), опубл. 27.01.2015], содержащее эхолот, связанный с блоком согласования, к которому последовательно подключены система цифровой регистрации, блок управления и регистрации, который соединен с GPS/ГЛОНАСС, приемником и эхолотом. Генератор пузырьков состоит из последовательно соединенных баллона с газом, системы подачи газа и сопла, опускаемого в водоем. Система подачи газа соединена с блоком управления и регистрации.
С помощью известных способа и устройства, зная поток метана у дна, нельзя определить поток метана, поступающий от всплывающих пузырьков в атмосферу, что очень важно для моделирования поступления тепличного газа метана из океана в атмосферу. Это связано с тем, что при всплытии пузырька часть метана за счет диффузии переходит из пузырька в воду, а в пузырек из воды поступают азот и кислород. Поток метана в атмосферу оценивают по потоку метана у дна, используя программы, позволяющие рассчитать содержание метана в всплывающем пузырьке, например, программу для расчета газового содержания всплывающего пузырька [SiBu-GUI (Greinert J., McGinnis D.F. Single bubble dissolution model: the graphical user interface SiBu-GUI // Environ Model Software. 2009. Vol. 24. - P. 1012-1013]. Экспериментальная проверка такой возможности с искусственно созданными пузырьками, выполненная на мелководном шельфе в море Лаптевых с поверхности припайного льда, показала допустимое совпадение экспериментально определенных концентраций в пузырьках метана у поверхности воды с расчетными значениями [Черных, Д., Саломатин, А., Юсупов, В., и др. Количественная акустическая оценка потоков метана с припайного льда на мелководном Восточно-Сибирском шельфе // Вестник ДВО РАН, 2013. №6. - С. 128-133]. Однако, при переходе от искусственно созданных пузырьков к естественным возникает значительная ошибка в оценке потока метана в атмосферу. Это связано с тем, что поток метана из всплывающего пузырька в воду зависит от характеристик верхнего осадочного слоя дна, из которого пузырьки выходят в водоем. Пузырьки, проходящие через верхний осадочный слой водоемов в воду, переносят на своей поверхности частички вещества осадочного слоя, химический состав и количество которых зависит от физических и химических характеристик веществ, содержащихся в верхнем осадочном слое. Наличие таких веществ на поверхности пузырька, значительно влияет на скорость всплытия и поток метана из пузырьков в воду.
Известны способ и устройство для его осуществления, выбранные в качестве прототипа, с помощью которых определяют поток метана, переносимого пузырьками, вблизи границы вода/воздух в том случае, когда газ поступает в воду через слой осадков [Yuan Q., Valsaraj К. Т., Reible D. D., Willson С.S. A laboratory study of sediment and contaminant release during gas ebullition // Journal of the Air & Waste Management Association. 2007. V. 57. N. 9. - P. 1103-1111]. Способ заключается в том, что из сопла в нижнюю часть вертикального резервуара высотой порядка одного метра выпускают заданный поток пузырьков газа через образец осадочной породы на его дне, измеряют поток метана, выходящий из воды, наполняющей остальную часть резервуара, регистрируют изображения всплывающих пузырьков, по которым судят о размерах всплывающих пузырьков вблизи поверхности воды.
Устройство для оценки потока метана, переносимого всплывающими пузырьками, выходящими из слоя осадочных пород на дне водоема содержит газовый баллон с метаном, снабженный регулятором, который соединен с контроллером потока метана, и через вентиль - с соплом, пропущенным через дно внутрь вертикального резервуара, высотой 74 см. Нижняя часть резервуара заполнена образцом осадочной породы, над которой находится вода. Внутри резервуара, в его верхней части установлен конический раструб в виде перевернутой воронки, трубка которой выведена наружу и соединена с измерителем потока газа. Ниже воронки, в боковой стенке резервуара, выполнено окно для размещения объектива цифровой видеокамеры, закрепленной снаружи.
Известное устройство работает следующим образом. Предварительно нижнюю часть вертикального резервуара заполняют необходимым образцом осадочной породы. Затем, поверх образца осадочной породы вертикальный резервуар заполняют водой, которая может быть и из исследуемого водоема. После этого регулятор на газовом баллоне с метаном открывают, и поток метана задают контроллером потока метана. Метан под давлением поступает через вентиль и сопло в нижнюю часть вертикального резервуара. Пройдя через слой образов осадочной породы пузырьки метана, поступают в воду и всплывают к поверхности. Выходящий на поверхность воды газ собирают системой сбора газа и его поток определяют с помощью измерителя потока. С помощью цифровой видеокамеры получают изображения газовых пузырьков вблизи поверхности воды.
Таким образом, оценивают поток газа в атмосферу, доставленный всплывающими пузырьками метана, прошедшими перед поступлением в воду через различную по составу осадочную породу. Однако, точность определения потока метана, поступающего в атмосферу, недостаточна. Это связано с тем, что при всплытии пузырька в него из воды поступают азот и кислород. Поэтому оценка потока метана в атмосферу является завышенной. Точность измерения понижается также из-за ручного управления всеми процессами и измерениями, что не позволяет достаточно точно синхронизовать начало регистрации величины потока газа с первым появлением в верхней части резервуара всплывающих пузырьков.
Предложенные изобретения позволяют повысить точность оценки потока метана в атмосферу, переносимого всплывающими в воде пузырьками, выходящими из верхнего слоя осадочных пород.
Способ оценки потока метана в атмосферу, переносимого всплывающими пузырьками, выходящими из верхнего слоя осадочных пород на дне водоема, также как в прототипе, включает отбор образца осадочной породы и помещение его на дно закрытого вертикального резервуара, заполнение резервуара поверх образца осадочной породы водой из исследуемого водоема, пропускание через образец осадочной породы заданного потока метана из сопла, вставленного через дно внутрь резервуара, сбор и измерение потока газа, выходящего из воды, регистрацию изображений всплывающих пузырьков вблизи поверхности воды.
Согласно изобретению вертикальный резервуар выше образца осадочной породы наполняют водой на высоту не менее десяти метров, выходящие из воды пузырьки газа отделяют от брызг воды и капель, синхронизируют регистрацию изображений всплывающих пузырьков вблизи поверхности воды с измерениями величины потока газа и его состава.
Устройство для оценки потока метана в атмосферу, переносимого всплывающими пузырьками, выходящими из верхнего слоя осадочных пород на дне водоема, также как в прототипе, содержит газовый баллон с метаном, снабженный регулятором, который соединен с контроллером потока метана, который через вентиль соединен с соплом, пропущенным через дно внутрь закрытого вертикального резервуара, нижняя часть которого предназначена для размещения образца осадочной породы, поверх которого налита вода, внутри верхней части резервуара установлен конический раструб в виде перевернутой воронки, трубка которой сверху выведена наружу, снаружи резервуара расположены измеритель потока газа и цифровая видеокамера, для размещения объектива которой в боковой стенке резервуара ниже воронки выполнено окно.
В отличие от прототипа вертикальный резервуар выполнен высотой более десяти метров. Трубка воронки через сепаратор соединена с измерителем потока газа, который соединен с хроматографом. Блок управления и регистрации подключен к контроллеру потока метана, к измерителю потока газа, к хроматографу и к цифровой видеокамере.
Повышение точности оценки потока метана в атмосферу, переносимого всплывающими в воде пузырьками, выходящими из верхнего слоя осадочных пород на дне водоема, происходит за счет измерения состава газа, выходящего из поверхности воды, существенного увеличения высоты закрытого вертикального резервуара, а также за счет автоматизации управления всеми процессами и измерениями. Измерение состава выходящего в атмосферу газа позволяет учитывать только метан и исключить из рассмотрения другие газы, например, азот и кислород, которые поступают в пузырек из воды при его всплытии. Увеличение высоты закрытого вертикального резервуара (>10 м) позволяет уменьшить ошибку оценки потока метана в атмосферу при больших глубинах, чем высота вертикального резервуара. Это связано с тем, что, максимальное изменение размера пузырька при всплытии из-за уменьшения давления происходит именно в верхнем десятиметровом слое. В этом слое давление на пузырек уменьшается в два раза, из-за чего его объем увеличивается в два раза. На фиг. 1 в качестве примера, представлена рассчитанная зависимость площади поверхности всплывающего пузырька метана от глубины его расположения в воде. Расчет выполнен для пузырька с радиусом у поверхности воды 3 мм. Видно, что максимальное изменение площади (~30%), через которую происходит обмен газами между пузырьком и окружающей водой, происходит в верхнем десятиметровом слое. Глубже 10 м вплоть до глубины 80 м дополнительное изменение площади поверхности лежит в диапазоне 14%.
В результате автоматизации управления, регистрация величины потока газа и его состава запускается при первой регистрации всплывающих пузырьков цифровой видеокамерой, что уменьшает ошибку измерения.
На фиг. 1 представлена зависимость площади поверхности всплывающего пузырька метана от глубины его расположения в воде.
На фиг. 2 представлена блок-схема устройства для оценки потока метана в атмосферу, переносимого всплывающими пузырьками, выходящими из верхнего слоя осадочных пород на дне водоема.
На фиг. 3 представлены результаты измерения концентрации метана, полученные с промощью хроматографа: а) - гистограмма, где прямоугольник К показывает содержание метана в калибровочной пробе, а прямоугольник Изм - в пробе газа, прошедшей через водный столб; б) - хроматограммы проб газа с пиком метана, где штрихпунктирной линией показан результат, полученный для калибровочной пробы, а сплошной линией -для пробы газа, прошедшей через водный столб.
Устройство для оценки потока метана в атмосферу, переносимого всплывающими пузырьками, выходящими из верхнего слоя осадочных пород на дне водоема, содержит баллон с газом 1 (БГ), снабженный регулятором 2 (РЕ), к которому подсоединен контроллер 3 (КОН) потока метана, соединенный через вентиль 4 (BE) с соплом 5, пропущенным через дно внутрь закрытого вертикального резервуара 6, высотой более десяти метров. В нижнюю часть резервуара 6 помещен образец осадочной породы 7, поверх которого налита вода 8 из исследуемого водоема Остальная часть резервуара 6 заполнена водой 8. Внутри резервуара 6, в его верхней части, установлен конический раструб в виде перевернутой воронки 9, трубка которой выведена сверху наружу и соединена через сепаратор 10 (СЕП) с измерителем потока газа 11 (ИП), который соединен с хроматографом 12 (ХР). Ниже воронки 9, в боковой стенке резервуара 6, выполнено окно для размещения объектива цифровой видеокамеры 13 (В), закрепленной снаружи. Блок управления и регистрации 14 (БУР) соединен с измерителем потока газа 11 (ИП), хроматографом 12 (ХР), с цифровой видеокамерой 13 (В) и с контроллером 3 (КОН) потока метана.
Блок управления и регистрации 14 (БУР) выполнен на основе персонального компьютера, например, на базе процессора Intel Core i5 под управлением операционной системой Windows. В качестве баллона с газом 1 (БГ) с регулятором 2 (РЕ) используется стандартный баллон с метаном, снабженный регулятором. Контроллер 3 (КОН) потока газа может быть выполнен на базе редуктора БКО-50-4. Вентиль 4 (BE) может быть стандартным. Сопло 5 может быть изготовлено из стальной трубки с внутренним диаметром 5 мм и внешним диаметром 10 мм. В качестве измерителя потока газа 11 (ИП) может быть использован анализатор парниковых газов LGR DTL-100. В качестве хроматографа 12 (ХР) можно применить газовый хроматограф SRI 8610C. Закрытый вертикальный резервуар 6 изготовлен из пластиковой трубы диаметром 0,12 м и высотой 25 м. Воронка для сбора газа 9 выполнена из нержавеющей, стали. В качестве сепаратора 10 (СЕП) использован стандартный сепаратор Flamcovent NW, Flamco Нидерланды.
Предварительно нижнюю часть вертикального резервуара 6 на высоту 20 см заполнили образцом из верхнего слоя осадочных пород, взятым на полигоне в море Лаптевых. Затем, поверх слоя образца 7, вертикальный резервуар 6 до высоты 20 м был заполнен морской водой. После этого регулятор 2 (РЕ) на баллоне с газом 1 (БГ) и вентиль 4 (BE) открыли. Сигнал с блока управления и регистрации 14 (БУР) включил видеокамеру 13 (В), измеритель потока газа 11 (ИП), хроматограф 12 (ХР) и задал контроллеру 3 (КОН) поток метана при пересчете на атмосферное давление 5 л/мин. Заданный поток метана под давлением поступал через вентиль 4 (BE) и сопло 5 в нижнюю часть закрытого вертикального резервуара 6. Пройдя через слой образца осадочной породы 7, метан поступал в воду 8 и в виде пузырьков всплывал к ее поверхности. Выходящий на поверхность воды газ собирался воронкой 9, с помощью сепаратора 10 (СЕП) из проб газа удалялись брызги и капли воды. С помощью цифровой видеокамеры 13 (В) получали изображения газовых пузырьков вблизи поверхности воды, измеряли поток газа с помощью измерителя потока газа 11 (ИП), определяли газовый состав с помощью хроматографа 12 (ХР). Причем, следя за всплывающими пузырьками по их появлению, определили период регистрации газа измерителем потока газа 11 (ИП) и хроматографом 12 (ХР). В конкретном случае период регистрации газа составил 23,7±0,3 с.
С помощью цифровой видеокамеры 13 (В) были зарегистрированы пузырьки размером 4,0±0,1 мм, всплывающие со скоростью ~21 см/с.
Информация о количестве метана, доставленного в атмосферу, полученная с помощью измерителя потока газа 11 (ИП) и хроматографа 12 (ХР), позволила установить, что поток метана в атмосферу составил 3,6±0,2 л/мин, а процентное содержание метана составило 73,6% - а) на фиг. 3. Как видно из б) на фиг. 3, помимо метана в собранном газе присутствуют кислород и азот. Таким образом, при всплытии пузырьков с глубины 20 м в воду отдается около 26% метана от изначальной его величины.
Измеренный устройством - прототипом поток метана в атмосферу составил 4,5±0,2 л/мин, что на 25% выше, полученного при использовании предложенного устройства.
Кроме того, с помощью программы обработки записанного видеоряда с всплывающими пузырьками, блок управления и регистрации 14 (БУР) позволяет определить распределение всплывающих пузырьков по размерам и скорости их всплытия, что необходимо для дальнейшего построения моделей, описывающих поступление метана через воду в атмосферу, и для расчетов потока метана при проведении акустических дистанционных измерений с борта судна.