СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ НЕПРЕРЫВНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ РАСТВОРЕННЫХ В ВОДЕ ГАЗОВ
METHOD AND DEVICE FOR CONTINUOUS DETERMINATION OF DISSOLVED IN WATER GASES CONCENTRATION

Область применения
Изобретение относится к способам и устройствам для мониторинга состояния объектов подводного пространства, в том числе морского (океанского) дна и/или шельфа на наличие газовых течей, а также поиска полезных ископаемых, в частности месторождений углеводородов.
Предшествующий уровень техники
Известны способ и устройство, в котором определение концентрации метана, растворенного в воде, производится путем отбора проб воды в специальные емкости с последующим анализом паровой фазы над поверхностью воды с растворенным в ней метаном с помощью газового хроматографа.
Согласно руководящему документу (Руководящий документ. Методика выполнения измерений концентрации метана в водах парофазным газохроматографическим методом. РД 52.24.512-2002. Дата введения 2003-01-01, разработан Гидрохимическим институтом) для проведения каждого единичного анализа требуются трудозатраты 1,8 чел./час.
Таким образом, известные способ и устройство не могут быть использованы для непрерывного определения концентрации растворенных в воде углеводородов в реальном масштабе времени, поскольку процесс измерения концентрации метана посредством указанного способа и устройства состоит из отдельных этапов и не является непрерывным, а на проведение каждого единичного анализа требуется более одного часа.
Известны способ и устройство для определения концентрации углеводородов, растворенных в воде с помощью их экстракции летучими растворителями (Стандарт DIN ISO 9377-2:2000. S. Drozdova, W. Ritter, B. Lendl, E. Rosenberg. Challenges in the determination of petroleum hydrocarbons in water by gas chromatography /hydrocarbon index/. Fuel 113 (2013) 527-536.).
Известные способ и устройство стандартизованы ISO. Они состоят в отборе пробы с последующей экстракцией углеводородов с помощью летучих растворителей и проведении анализа полученного экстракта с помощью хроматографа. Известные способ и устройство не могут быть использованы для непрерывного определения концентрации углеводородов в воде, так как процесс определения концентрации углеводородов занимает несколько часов и состоит из отдельных операций, требующих последовательного и полного выполнения.
Также известен способ поиска залежей нефти и газа (патент RU 2512741, опубл. 10.04.2014, МПК G01V 9/00), который включает выполнение бурения серии неглубоких скважин для взятия кернов и определение концентрации потенциально содержащихся в кернах углеводородных газов в газовой среде. Бурение производится до глубины 1-3 м, анализ углеводородных газов осуществляется барботированием через минерализованную воду. Дополнительно проводится анализ газовоздушной смеси внутри скважин на наличие гелия, радона, водорода, азота, диоксида углерода и кислорода. При этом месторождение нефти или газа определяется как область с наиболее благоприятными содержаниями гелия, радона, водорода, азота, диоксида углерода и кислорода и углеводородных газов.
Известное техническое решение не может быть использовано для непрерывного определения концентрации растворенных в воде углеводородов в реальном масштабе времени, поскольку не является прямым способом определения концентрации растворенных в воде углеводородов и для его реализации требуются продолжительные дополнительные операции - бурение скважин на морском дне и анализ их содержимого.
Также известно устройство для прямого масс-спектрометрического определения метана и его летучих гомологов в воде (В.Т. Коган, А.С. Антонов, Д.С. Лебедев, С.А. Власов, А.Д. Краснюк. Прямое масс-спектрометрическое определение метана и его летучих гомологов в воде. Журнал технической физики, 2013, том 83, вып. 3.), в котором в качестве блока пробоподготовки используют глухую ампулу, через стенку которой диффундирует целевой газ (пары углеводородов), а газ из ампулы отбирается с помощью высоковакуумного насоса и направляется на вход масс-спектрометра, используемого в качестве детектора целевого газа.
Недостатком устройства является использование в качестве детектора целевых газов в погружаемом в воду устройстве масс-спектрометра массой 20 кг, что существенно ограничивает его применение на компактных автономных непилотируемых подводных аппаратах. Кроме того, в указанном устройстве принципиальным элементом является высоковакуумный электрический насос, требующий значительного энергообеспечения, что также существенно ограничивает возможности работы под водой выбранного прототипа как в автономном режиме, так и при буксировке за движущимся исследовательским судном.
Так, автономный аппарат-носитель для данного устройства должен обладать внушительными массогабаритными характеристиками и, главное, мощными источниками энергии для обеспечения работы движительной установки и собственно устройства. Указанные обстоятельства неизбежно влекут за собой высокую цену на само устройство и значительные издержки на средства его доставки, пилотирования и обеспечения работы.
Для снижения издержек могут применять т.н. буксируемый вариант, когда основная энергозатратная и наиболее массогабаритная часть устройства размещена на судне-буксире, а под водой постоянно находится элемент для забора водных проб, жестко соединенный с основным устройством. Однако указанное техническое решение может применяться на глубинах не более 30 метров, что существенно ограничивает практическую сферу его применения. А при наличии преград на поверхности воды (например, лед) использование указанного устройства становится практически невозможным. В этой связи применение указанного устройства для решения практических задач, например поиска углеводородов на арктическом шельфе России представляется либо низкоэффективным, либо вообще невозможным.
Помимо этого, естественным следствием применения масс-спектрометра и глухой ампулы в качестве устройства пробоподготовки является то, что постоянная времени определения концентрации метана в воде составляет около 10 минут. Такая длительность проведения каждого единичного измерения метана делает невозможным непрерывное определение концентрации растворенных в воде углеводородов в реальном масштабе времени, так как требует остановки на время измерения концентрации, например, метана. А в случае непрерывного движения аппарата-носителя или судна-буксира с указанным устройством соотнесение точек измерения концентрации растворенных в воде углеводородов с реальными местами их естественной течи будет крайне затруднено и приведет к недопустимо большим погрешностям в определении таких мест.
Например, при буксировке такого устройства за судном со скоростью 20 узлов (примерно 10 метров в секунду) неточность определения места течи углеводородов будет составлять до 6 километров. Такая большая погрешность при соотнесении точек концентрации растворенных в воде углеводородов (метана) с местами их естественной течи на морском дне (шельфе) делает невозможным выполнение задачи высокоточного поиска подводных месторождений углеводородов и мест бурения скважин на морском дне (шельфе).
Сущность изобретения
Технической задачей настоящего изобретения является создание способа и устройства, полностью или частично размещаемого под водой и непрерывно определяющего в реальном масштабе времени концентрацию растворенных в воде газов.
Технический результат данного изобретения заключается в быстром и прямом определении концентрации растворенных в воде газов, в частности метана и других углеводородов (газы-аналиты).
Поставленная задача решается тем, что в способе непрерывного определения концентрации растворенных в воде газов, заключающемся в насыщении в мембранном процессе газа-носителя, контактирующего с водой, газом-аналитом, растворенным в воде, и последующем определении концентрации газа-аналита в газе-носителе, согласно предложенному решению поток газа-носителя непрерывно перемещают в одном направлении, регулируя его скорость, обеспечивая насыщение газа-носителя газом-аналитом, а концентрацию газа-аналита в газе-носителе измеряют в реальном масштабе времени после насыщения газа-носителя газом-аналитом, при этом газ-носитель после измерения в нем концентрации газа-аналита удаляют.
В качестве газа-носителя может быть использован воздух.
Концентрация газа-аналита в газе-носителе может быть определена путем измерения изменения сопротивления нанокристаллического полупроводникового материала при хемосорбции на его поверхности газа-аналита.
Концентрация газа-аналита в газе-носителе может быть определена по поглощению света в инфракрасной области в результате его абсорбции газом-аналитом.
Концентрация газа-аналита в газе-носителе может быть определена по тепловому эффекту реакции каталитического окисления газа-аналита.
Концентрация газа-аналита в газе-носителе может быть определена по изменению электрохимического потенциала или тока электрода, контактирующего с газом-носителем с содержащимся в нем газом-аналитом.
Концентрация газа-аналита в газе-носителе может быть определена по изменению теплопроводности газа-носителя с содержащимся в нем газом-аналитом.
Концентрация газа-аналита в газе-носителе может быть определена по изменению резонансной частоты пьезоэлектрического резонатора, покрытого слоем сорбента, при адсорбции газа-аналита.
Поставленная задача решается тем, что в устройстве для осуществления способа, включающем источник газа-носителя, блок пробоподготовки и присоединенные к нему последовательно газочувствительный элемент и газоотводную трубку, согласно предложенному решению блок пробоподготовки выполнен в виде погружаемой в воду прямой или изогнутой трубки, изготовленной из материала, селективно проницаемого для газа-аналита и непроницаемого для воды, а газочувствительный элемент выполнен в виде камеры, не сообщающейся с водой, с помещенным в ней газовым сенсором, соединенным с блоком управления, причем газовый вход газочувствительного элемента присоединен к выходному концу блока пробоподготовки, а выход присоединен к газоотводной трубке.
В качестве газа-носителя может быть использован воздух.
В качестве источника газа-носителя может быть использован компрессор, баллон со сжатым газом или химический источник газа - ампула с химическим веществом, из которой в результате химической реакции выделяется газ.
В качестве материала, селективно проницаемого для газа-аналита и непроницаемого для воды, может быть использован полидиметилсилоксан толщиной от 0,001 до 1 мм.
В качестве материала, селективно проницаемого для газа-аналита и непроницаемого для воды, может быть использована гидрофобизированная пористая керамика толщиной от 0,01 до 10 мм.
В качестве гидрофобизатора могут быть использованы фторированные алкоксисиланы.
В качестве газочувствительного элемента может быть использован газочувствительный сенсор полупроводникового типа, или термокаталитического, или оптического, или пьезоэлектрического, или электрохимического, или фотоакустического, или фотоионизационного типа.
Входной и выходной концы газоотводной трубки могут быть оснащены обратными клапанами, не препятствующими выходу газа-носителя с содержащимся в нем газом-аналитом и не допускающими попадания воды в газоотводную трубку.
Выходной конец газоотводной трубки может быть снабжен поплавком и обратным клапаном, не допускающим попадания воды в газоотводную трубку.
Краткое описание чертежей
На чертеже представлен общий вид устройства.
Устройство состоит из источника газа-носителя 1 с регулятором газового потока (в качестве источника газа-носителя может выступать, например, компрессор, баллон со сжатым газом, химический источник газа), соединенного с блоком пробоподготовки 2, выполненным в виде погружаемой в воду прямой или изогнутой трубки, изготовленной из материала, селективно проницаемого для газа-аналита и непроницаемого для воды. Во внутреннем объеме блока пробоподготовки 2, газочувствительного элемента 3 и газоотводной трубки 4 размещен и непрерывно перемещается по направлению от блока пробоподготовки 2 к газочувствительному элементу 3 и затем к газоотводной трубке 4 газ-носитель. Газочувствительный элемент 3 представляет собой не сообщающуюся с водой камеру с помещенным в ней газовым сенсором, соединенным с блоком управления 5, причем газовый вход газочувствительного элемента 3 присоединен к выходному концу блока пробоподготовки 2, а выход присоединен к газоотводной трубке 4, оснащенной одним или несколькими клапанами, не препятствующими выходу газа-носителя и газа-аналита и не допускающими попадания воды в газоотводную трубку 4.
Осуществление изобретения
Под воду (например, на морском шельфе) погружают устройство для непрерывного измерения концентрации растворенных в воде газов, в частности метана и других углеводородов. Из источника газа-носителя 1 с регулятором во внутреннем объеме блока пробоподготовки 2 поток газа-носителя непрерывно перемещают, регулируя его скорость так, чтобы обеспечить насыщение газа-носителя газом-аналитом. Насыщенный газом-аналитом поток газа-носителя непрерывно перемещают из блока пробоподготовки 2 во внутренний объем газочувствительного элемента 3, соединенного с блоком управления 5, где с помощью газового сенсора производят определение концентрации газа-аналита в потоке газа-носителя, автоматически регистрируемое в памяти устройства. После определения концентрации газа-аналита газ-носитель, прошедший через газочувствительный элемент 3, вместе с содержащимся в нем газом-аналитом выводят через газоотводную трубку 4 и вторично не используют. В течение всего процесса определения концентрации растворенных в воде газов движение газа-носителя во внутреннем объеме устройства не прерывается.
Предложенное решение позволяет непрерывно определять концентрацию растворенных в воде газов, в частности метана и других углеводородов, в реальном масштабе времени.
Изобретение может быть использовано в виде устройств, предназначенных для установки на автономные пилотируемые и непилотируемые подводные аппараты, автономные пилотируемые и непилотируемые водные аппараты, автономные пилотируемые и непилотируемые многосредные аппараты, подводную часть надводных судов; для буксирования за автономными пилотируемыми и непилотируемыми подводными, водными, многосредными аппаратами, надводными судами, а также для установки на морском дне, шельфе или иных объектах, погруженных в водную среду.