СТЕНД ДЛЯ ФИЗИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ПУЗЫРЬКОВОГО ПЕРЕНОСА ГАЗОВ В ВОДНОЙ СРЕДЕ И ДОННЫХ ОСАДКАХ (ВАРИАНТЫ)

Полезная модель относится к экспериментальной физике, а именно к устройствам для искусственного воспроизводства процессов пузырькового переноса газов в воде, донных осадках различного типа, а также процесса эманации газа из донных осадков в водный слой, и может быть использована для разработки акустических методов оценки количества газа, поступающего в воду из осадков при пузырьковом переносе и изучения процессов образования и разложения газовых гидратов в донных осадках разного типа.
Разработка способов количественной оценки нерастворенных газов в воде и объемов их пузырькового переноса в водном слое акустическими методами, как и построение пригодных для практических расчетов моделей образования и разложения газовых гидратов, требует измерения большого количества статистических параметров движущихся и изменяющихся при движении газовых пузырьков (например объема, формы пузырей, скорости движения, изменения объема с высотой всплытия и др.), причем в случае гидратообразования это движение газа происходит в пористой среде донных осадков, физические параметры которых зависят от их литологического состава. В настоящее время наиболее эффективным средством объективного контроля за такими параметрами является видеонаблюдение и видеорегистрация подобных процессов, при этом серия стоп-кадров позволяет произвести необходимые измерения.
Известно использование видеокамеры с осветителями и светорассеивающим экраном, предназначенным для видеосъемки во встречном свете, для определения распределения по размерам всплывающих пузырьков и скорости их всплытия в естественных газовых факелах на мелководье (Leifer I, MacDonald IR (2003) Dynamics of the gas flux from shallow gas hydrate deposits: interaction between oily hydrate bubbles and the oceanic environment. Earth Planet Sci Lett 210:411-424).
Известно также использование видеокамеры для длительного наблюдения за динамикой газогидратного холма (кратера), обнаруженного на поверхности дна Мексиканского залива (Ian R. Macdonald, L.C. Bender, et all //Thermal and visual tme-series at a seafloor gas hydrate deposit on the Gulf of Mexico slope.// Earth and Planetary Letters. 2005. v.203. P.45-59). Установленная в непосредственной близости от этого кратера донная станция с автономной видеокамерой (записывавшей изображение в память) позволяла зарегистрировать только увеличение или уменьшение размеров кратера вне связи с пузырьковым переносом метана, процесс накопления и кристаллизации которого в основном происходит в порах под поверхностью осадков.
В области экспериментальных исследований процессов образования и разложения гидратов газов известно использование лабораторных установок (C.E.Taylor, D.D. Link, N. English // Methane hydrate research at NETL Research to make methane production from hydrates a reality // Journal of Petroleum Science and Engineering 56 (2007) 186-191), воссоздающих условия, необходимые для образования газогидратов: высокое давление (более 30 атм) и отрицательную температуру. Имея в своем составе достаточно мощные компрессор, холодильник и камеру высокого давления, эти установки являются весьма громоздкими сооружениями, которые оснащаются также специальными системами автоматического поддержания заданных температуры и давления с высокой точностью, чтобы смоделировать условия образования газогидратов на заданной глубине в донных отложениях разного типа. В то же время из-за малого рабочего объема камеры высокого давления, на таких лабораторных установках невозможна работа над совершенствованием акустических методов определения параметров газовых факелов газогидратных месторождений.
Наиболее близкой к заявляемой является установка для изучения образования газовых факелов при прохождении пузырьков газа через слой донных отложений, представленная в работе Ira Leifer, Daniel Culling "Formation of seep bubble plumes in the Coal Oil Point seep field" (Geo-Mar Letters (2010), V.30, P.339-353). Смонтированная на несущем каркасе в виде вертикальной прямоугольной рамы, эта установка включает расположенные на верхней горизонтальной штанге рамы, напротив друг друга, дистанционно управляемую видеокамеру и осветители. Между видеокамерой и осветителями установлен светорассеивающий экран. К нижней горизонтальной штанге крепятся две пластины из пластика, одна из которых предотвращает попадание пузырьков в пространство между осветителями и светорассеивающим экраном, а другая закрывает иллюминатор объектива видеокамеры от попадания пузырьков. Между этими двумя пластинами оставлено незакрытое пространство, в которое и попадают пузыри газового факела при правильном положении установки относительно потока (струи) пузырьков. При работе с природными газовыми факелами на малых глубинах (до 40 м) установка позиционируется водолазом, а на больших - ее положение корректируется по изображению пузырьков, которое передается на борт судна. В лабораторных экспериментах при изучении искусственно созданных газовых факелов, которые проводились в аквариуме, установку дополнительно снабжают распылителями газа, которые зарывают на некоторую глубину в слой грунта, извлеченный из морских донных отложений и помещенный на дно аквариума. Газ (воздух) из газовых баллонов через распылитель попадает в осадки и, пройдя через них, поступает в воду между двумя нижними защитными пластинами. Струя газовых пузырьков движется вверх между видеокамерой и светорассеивающим экраном на оптимальном расстоянии между ними для получения качественного изображения большого количества пузырьков.
Однако данная установка не позволяет изучать изменчивость параметров пузырькового переноса газов в верхнем слое донных осадков в водном слое большого объема и на больших глубинах в естественных условиях роста или разложения газовых гидратов (в том числе в условиях образования газовых факелов), воспроизводить эти процессы и контролировать их ход.
Задача сводится к созданию системы, позволяющей решить вышеописанную проблему путем разработки предлагаемых вариантов конструкций стендов для физического моделирования пузырькового переноса газов как в донных осадках, так и в водном слое.
Поставленная задача решается стендом, состоящим из несущего каркаса в виде прямоугольного параллелепипеда внутри которого расположены система регулирования потока газа, система видеонаблюдения, светорассеивающий экран и контейнер для донных осадков, при этом система регулирования потока газа включает последовательно соединенные источник газа, дистанционно управляемый газовый кран и газовый распылитель, система видеонаблюдения включает платформу, выполненную с возможностью изменения угла наклона, дистанционно управляемую видеокамеру и осветители; видеокамера, осветители и газовый распылитель выполнены с возможностью перемещения внутри каркаса, а светорассеивающий экран закреплен перед осветителями над контейнером, стенка которого, обращенная к видеокамере, выполнена прозрачной
Поставленная задача решается также стендом, состоящим из несущего каркаса в виде прямоугольного параллелепипеда, внутри которого расположены система регулирования потока газа, система видеонаблюдения светорассеивающий экран и контейнер для донных осадков, одна из стенок которого выполнена прозрачной, при этом система регулирования потока газа включает последовательно соединенные источник газа, дистанционно управляемый газовый кран и газовый распылитель, система видеонаблюдения включает платформу, выполненную с возможностью изменения угла наклона, двух дистанционно управляемых видеокамер, одна из которых установлена на платформе перед светорассеивающим экраном, за которым расположены осветители, а вторая снабжена осветителями и установлена перед прозрачной стенкой контейнера, при этом светорассеивающий экран установлен над контейнером, а газовый распылитель установлен с возможностью перемещения внутри контейнера.
Предлагаемые конструкции стенда значительно расширяют круг его исследовательских возможностей, в том числе за счет возможности использования при его эксплуатации различных физических (акустических) методов исследования путем установки дополнительного оборудования. Важным преимуществом стенда является также возможность исследования процессов образования и выделения газовых пузырьков в естественных условиях при погружении стенда с борта дрейфующего судна на разные глубины.
В первом варианте стенд оборудован системой видеонаблюдения за пузырьками газа или проходящими через толщу воды или проходящими через донные осадки, загруженные в контейнер. Для этого видеокамера, осветители и газовый распылитель выполнены мобильными и устанавливаются в каркасе в зависимости от поставленной задачи исследования. Например, при исследовании поведения пузырьков газа при прохождении через толщу воды, видеокамеру устанавливают на платформе перед светорассеивающим экраном, а газовый распылитель устанавливают в нижней части светорассеивающего экрана. При исследовании процессов прохождения пузырьков через донные осадки видеокамеру устанавливают напротив прозрачной стенки контейнера с донным осадком, а осветители рядом с видеокамерой. Однако в таком варианте стенда при изменении исследовательской задачи приходится поднимать стенд и переустанавливать видеокамеру, осветители и газовый распылитель.
При втором варианте стенд оборудован двумя дистанционно управляемыми и стационарно установленными видеокамерами, позволяющими наблюдать и фиксировать одновременно как за прохождением газовых пузырьков через донный осадок, так и за процессами выхода его из осадка в толщу воды.
Для наблюдения за поведением и свойствами пузырьков газа в воде применяют съемку во встречном свете, для этого перед осветителями устанавливают светорассеивающий экран, а видеокамеру располагают на платформе, что позволяет проводить съемку на разной высоте от горизонта выхода газа в водный слой, изменяя наклон платформы.
Увеличение и фокусное расстояние видеокамеры изменяют дистанционно, а полученные данные либо передают в блок управления или записывают в память.
Источник газа, дистанционно управляемый газовый кран и газовый распылитель со сменной насадкой обеспечивают регулируемую систему потока газа, позволяющую управлять выходными характеристиками газовых пузырьков, их размерами, скоростью выхода.
Конструкция контейнера позволяет фиксировать с помощью видеокамеры, опущенной на уровень центра прозрачной грани контейнера, процессы пузырькового переноса газа в донных осадках разного типа, которые загружаются в контейнер, и визуализировать процесс образования газовых гидратов при достаточно глубоком (более 400 м) погружении стенда в воду. В источник газа (газовый баллон) при этом закачивается углекислый газ или метан.
Все оборудование стендов монтируют на жестком металлическом каркасе в виде прямоугольного параллелепипеда, который опускают на выбранную глубину, например, с помощью кабель-троса, по которому также передаются с борта судна сигналы управления на видеокамеру, осветители, газовый кран и платформу для установки видеокамеры.
На Фиг., где а). - вид со стороны прозрачной стенки контейнера, а б - вид сбоку, схематично изображен один из заявляемых вариантов стенда - стенд с двумя мобильными видеокамерами, где 1 - видеокамеры, 2 - платформа, 3 - светорассеивающий экран, 4 - осветители, 5 - контейнер для донных осадков, 6 - прозрачная стенка, 7 - источник газа, 8 - газовый кран, 9 - газовый распылитель, 10 - кабельный разветвитель, 11 - каркас.
При изучении динамики газовых пузырьков в водной среде видеокамеру (1) устанавливают на уровне нижней стороны светорассеивающего экрана (3), а осветители (4) закрепляют с противоположной стороны от светорассеивающего экрана (3).
Для регистрации пузырькового переноса газа в донных осадках вторую видеокамеру (1) устанавливают перед светопрозрачной стенкой (6) контейнера (5) для донного грунта (либо согласно первого варианта заявляемого решения видеокамеру (1) просто механические переставляют на уровень контейнера), а осветители (4) крепят по обе стороны от видеокамеры. Газовый кран (8), платформу (2) для видеокамеры (1) и осветители (4) подключают к кабелю управления с помощью герметичных разъемов, которые фиксируют в соответствующих гнездах кабельного разветвителя (10) с помощью накидных гаек. Выходные разъемы кабеля видеокамеры и кабеля управления подключают к пульту управления стенда.
Таким образом, предложенное конструкторское решение стенда с использованием объемного несущего каркаса, с наличием контейнера для донных осадков, системы создания дистанционно регулируемого потока газа и мобильных элементов стенда позволяет изучать изменчивость параметров пузырькового переноса газов в верхнем слое донных осадков и в водном слое большого объема и на больших глубинах, т.е. в естественных условиях роста или разложения газовых гидратов. Стенд позволяет также исследовать процессы образования газовых факелов, воспроизводить эти процессы и контролировать их ход. Конструкция стенда обеспечивает возможность значительного расширения круга исследований путем установки дополнительного оборудования.