УСТРОЙСТВО ДЛЯ ГЕЛИЕВОЙ СЪЕМКИ НА АКВАТОРИИ

Полезная модель относится к газогеохимическим методам разведки полезных ископаемых и может быть применена на акваториях для выявления перспективных нефтегазоносных объектов и зон улучшенной трещинной проницаемости в разрезе.
Известны средства геохимического исследования акваторий для выявления неоднородностей, в частности, тектонических неоднородностей геосферы, а также картирования нефтегазоносных районов, по данным о распространенности определенных химических элементов, в частности, газов, таких как метан или гелий - спутников углеводородов /SU 894657, RU 2226282, RU 2417387, US 4890486 и др/.. Исследование акваторий газогеохимическими методами включает использование плавучих средств для перемещения вдоль заданных трасс, отбор проб воды в заданных точках или на заданных трассах на исследуемой территории, выделение из проб примесных газообразных компонентов (в частности, углеводородных газов) и определение содержания искомого газа, по результатам которого составляют, например, карту нефтегазоносности территории. При наличии структурных неоднородностей или залежи углеводородов существует постоянный вынос в акваторию газов-индикаторов и других примесей и их миграция в направлении дневной поверхности и далее в приповерхностный слой атмосферы, однако при наличии донных течений и циркуляции воды, а также ветровом сносе аэрозоли распределение и концентрация примесей меняется, что сказывается на надежности результатов исследований. При этом основные проблемы измерений оказываются связанными как с чувствительностью приборов для анализа проб, так и с калибровкой аппаратуры, выбором горизонта отбора проб, установлением исходного уровня содержания искомого газа в морской среде в области исследований, а также непрерывностью и синхронностью во времени отбора проб в различных точках при движении судна.
Известно применение гелиевой съемки акватории как вида газогеохимических исследований, позволяющей выявлять нефтегазоносные бассейны и структурные нарушения геосферы, являющиеся зонами повышенной концентрации гелия. Исследованиями также установлено, что в открытых водоемах в условиях массообмена флюидов при установлении динамического равновесия концентрация гелия практически равномерна и практически равновесна с концентрацией в атмосферном воздухе (5×10-5 мл/л), однако на локальных участках донной поверхности содержание гелия возрастает в соответствии с мощностью питающего источника. Вследствие этого гелиевую съемку акватории необходимо вести по придонному слою, в который по трещинам проникают подземные воды и который является зоной максимального вертикального градиента концентрации гелия и вариации полей гелия /Яницкий И.Н. Гелиевая съемка. М., издательство «Недра», 1979, с.19-20/.
Известно устройство для проведения гелиевой съемки акватории /Савченко, 1935 г./, включающее насос для забора воды, пробоотборник и дегазатор, соединенный с пробоотборником через стеклянный переходник /Яницкий И.Н. Там же, с.20/. Вода из пробоотборника поступает в вакуумируемый дегазатор, наполняя его до половины объема, в дегазаторе за счет разрежения возникает кипение жидкости с отделением газовой фракции в газоприемник. При этом достигается отделение примерно 90% растворенного в воде газа, включая гелий.
Известны средства площадной газогеохимической съемки на акватории путем гидрозондирования водной толщи и пробоотбора воды из придонно-пограничного слоя и из залегающих на поверхности осадков. Изучение компонентного состава, концентраций газообразных и жидких проб проводится непосредственно на борту судна, используемого в режиме станции, усовершенствованными экспресс-методами, при этом используют коробчатый пробоотборник (бокскорер) для отбора придонной воды, поверхностных осадков и осадков в интервале 25-30 см, а также CTD-зонд с метановым датчиком, а дегазация осадков и воды с последующим определением концентраций газовых компонент проб производится непосредственно на борту судна /Г.Г.Ткаченко и др. Геохимические методы поиска нефти и газа на шельфе. В сб. Геология морей и океанов. Материалы ХУ11 Международной научной конференции (Школы) по морской геологии. Москва, 12-16 ноября 2007 г./. Известное плавучее средство позволяет исследовать ненарушенные пробы донного грунта, но пробоотборник негерметичен, а поэтому не обеспечивает необходимой точности анализа содержания гелия в пробе придонной воды в силу его летучести. Кроме того, устройство характеризуется низкой производительностью.
Известна система «Sniffer» (фирма InterOcean, США), применяемая для газовой съемки на акватории, включающая плавучее средство - корабль, буксируемый шланг для забора воды и размещенный на корабле анализатор газов, в качестве которого использован газовый хроматограф. Система позволяет производить контрольные измерения через 100-500 м при скорости движения судна 6-10 км/час, что обусловлено низкой производительностью метода газовой хроматографии, поэтому разрешающая способность системы недостаточно высока /www.inno-expert.ru/projects/.
Известна система МАГМАСС (Морской Анализатор Газов МАСс- Спектрометрический) для комплексного газогеохимического исследования акваторий, включающая буксируемый подводный аппарат, внутри которого установлена масс-спектрометрическая аппаратура с мембраной для выделения растворенных в воде газов и ввода их в газоанализатор (membrane introduction mass-spectrometry) и аппаратура предварительной обработки измерительной информации, соединенная проводной или оптоволоконной линией связи с бортовым вычислительным комплексом для комплексной обработки и анализа результатов, построения карт и выявления аномалий /www.inno-expert.ru/projects/. Известная система может быть использована в режиме непрерывного профилирования или в режиме выполнения станций в районе выявленных аномалий, может быть применена при водногелиевой съемке и способна обеспечить детальный анализ растворенных газов в силу высокой чувствительности анализатора. К недостаткам системы можно отнести относительно высокую стоимость подводного исполнения прибора.
Известно устройство для морских газогеохимических исследований, применяемое для обнаружения подводных залежей углеводородов, включающее надводное плавучее средство (судно, платформа), линию забора морской воды, подсоединенную к размещенному на плавучем средстве устройству дегазации пробы морской воды через нагнетательный насос. Устройство дегазации имеет встроенный сливной трубопровод и соединено с газоанализаторами пробы и устройством регистрации результатов анализа, также размещенными на плавучем средстве /US3681028/. В устройстве дегазации непрерывно поступающая в камеру обработки забортная морская вода распыляется, причем образуются зоны пара в верхней части камеры, зона жидкости в нижней части камеры и промежуточная газожидкостная зона в средней части. Создавая в камере давление 23-26 мм рт. столба, добиваются дегазации пробы и сепарации газа и воды, растворенный газ откачивают насосом и подают в анализатор пробы - пламя-ионизационную камеру для определения содержания углеводородов в пробе, часть газа направляют в хроматограф для определения элементного состава газа, результаты анализа пробы регистрируются. Жидкость, не содержащая газ, поступает в нижнюю часть камеры и откачивается по сливному трубопроводу наружу. Для забора морской воды трубопровод опускают на некоторую глубину (между дном и поверхностью), и в случае обнаружения в некоторой области повышенных концентраций искомых газов проводят дополнительно анализ морского грунта в этой области на содержание углеводородов. Известное устройство позволяет непрерывно проводить анализ проб морской воды также с определением содержания в ней гелия и обследовать большие площади акватории, получая результат в реальном времени, но необходимость дополнительного привлечения исследований грунта при интерпретации результатов увеличивает затраты времени, материалов и средств. При этом содержание компонент в газовой фракции пробы определяется по небольшому объему газа, что снижает точность и надежность анализа.
Известное устройство для морских газогеохимических исследований, в частности, гелиевой съемки, включающее плавучее средство, закрепленную на нем линию забора проб морской воды, размещенные на плавучем средстве нагнетательный насос, устройство дегазации и сепарации пробы, имеющее линию подвода/слива жидкости, анализатор газового состава пробы и устройство регистрации результатов анализа выбрано в качестве наиболее близкого аналога заявляемой полезной модели.
Задача полезной модели заключается в повышении экономической эффективности и снижении трудоемкости проведения гелиевой съемки акватории.
Задача решена тем, что устройство для морских газогеохимических исследований, преимущественно, гелиевой съемки, включающее плавучее средство, закрепленную на нем линию забора проб морской воды, размещенные на плавучем средстве всасывающий насос, устройство дегазации и сепарации пробы, имеющее линию подвода/слива жидкости, анализатор газового состава пробы, устройство регистрации результатов анализа, в соответствии с полезной моделью, снабжено грузилом, укрепленным на погружном конце линии забора пробы морской воды, датчиком глубины забора пробы, укрепленным на линии забора пробы морской воды, устройство дегазации и сепарации пробы содержит набор параллельно установленных газожидкостных сепараторов, а в качестве анализатора газового состава пробы использованы по крайней мере два гелиевых течеискателя, подключенных к программно-ориентированному устройству регистрации результатов анализа, к которому подключены также система спутниковой навигации и мультиметр, соединенный с датчиком глубины забора пробы.
Кроме того, плавучее средство выполнено самоходным.
Кроме того, плавучее средство выполнено буксируемым.
Кроме того, линия забора пробы морской воды выполнена в виде армированного шланга и дублирована несущим тросом, сопряженным с лебедкой на плавучем устройстве.
Кроме того, линия забора пробы морской воды снабжена фильтрами грубой и тонкой очистки.
Кроме того, грузило выполнено наборным.
Кроме того, в качестве гелиевого течеискателя выбран гелиевый течеискатель модели PHD-4 фирмы Varian, США.
Кроме того, устройство регистрации результатов анализа выполнено на базе портативного компьютера, а в качестве системы спутниковой навигации использована GPS-антенна, подключенная к USB-порту компьютера.
Технический результат полезной модели состоит в обеспечении непрерывного измерения содержания гелия в пробах, взятых с контролируемых глубин акватории, с перекрытием работы гелиевых течеискателей для исключения периодов «мертвого» времени в измерениях.
Сущность полезной модели основана на различном поглощении гелия нефтью, свободным газом и водой, пропорциональном растворимости гелия в этих средах. Так, самая высокая растворимость гелия - в свободных газах, на порядок ниже - в нефти и еще на порядок ниже - в воде. Средние концентрации гелия в подземных флюидах составляют: в свободном газе - 100 мл/л, в нефти - 7 мл/л, в подошвенных водах залежей углеводородов - 0,65 мл/л, в приповерхностном слое воды - 0,04 мл/л, в приповерхностном воздухе - 5,5 ppm. Поэтому при непрерывной записи профиля концентрации гелия в пробе морской воды будут разделены распределения, коррелирующие с залежами углеводородов, и также с тектонической нарушенностью покрывающих пород (приповерхностная зона осадочного чехла) или при их слабой эффективности по отношению к гелию (профиль концентрации гелия смещается в сторону увеличения по сравнению с ее концентрацией в воде).
Сущность полезной модели поясняется фиг.1-4, на которой представлены: фиг.1 - схема заявляемого устройства, фиг.2 - схема установки грузила и датчика глубины забора пробы морской воды, фиг.3 - схема канала подачи сигнала от датчика глубины забора пробы морской воды к мультиметру, фиг.4 - карта гелиевой съемки акватории Ладожского озера с выходом на сушу,
Устройство (фиг.1) содержит плавучее устройство (1) в виде самоходного судна, линию забора проб морской воды (2), размещенные на судне (1) нагнетательный насос (3), устройство дегазации и сепарации пробы (4) в виде набора последовательно установленных газожидкостных сепараторов, имеющее линию подачи/слива жидкости, анализатор газового состава пробы (5), составленный двумя гелиевыми течеискателями марки PHD-4 Varian, подключенными к устройству регистрации результатов анализа (6) в виде портативного компьютера, к которому подключены также система спутниковой навигации (7), в качестве которой может быть использована GPS-антенна типа BU-353 (система WGS84) для привязки координат забора проб морской воды к соответствующим координатам судна, и цифровой мультиметр (8), осуществляющий регистрацию данных о глубине забора пробы и передающий эти данные в компьютер (6).
Линия забора проб морской воды (2), соединенная с нагнетательным насосом (3), представляет собой армированный шланг, дублированный стальным несущим тросом (9). Трос (9) крепится к шлангу с помощью зажимных хомутов, рым-болтов и карабинов таким образом, чтобы не было провисов. Стальной несущий трос (9) сопряжен с лебедкой (10), установленной на корме судна (1), через направляющий ролик (11) (фиг.2).
С погружным концом линии забора проб морской воды (2) связано грузило (12), которое выполнено наборным из металлических дисков, насаженных на стержень, связанный карабином со шлангом линии (2) (фиг.2). Грузило (12) обеспечивает нужную плавучесть и требуемое погружение полой линии забора проб морской воды (2). В зависимости от длины линии забора пробы (2), глубины исследования и скорости судна меняется величина наборного груза - она возрастает с увеличением глубины забора пробы и увеличением скорости судна (для компенсации силы Архимеда), для придонных исследований и забора пробы морской воды на расстоянии порядка 1 м от дна грузило (12) должно достигать дна акватории.
На конце шланга линии (2) закреплен датчик глубины забора пробы (13), который снабжен защитным кожухом (14) и соединен с мультиметром (8) кабелем электропитания (15), проходящим внутри и вдоль части шланга линии (2) (фиг.2). Через ответвление в шланге линии (2) - тройник (16) кабель электропитания (15) датчика глубины забора пробы (13) выходит наружу для подсоединения к мультиметру (8) (фиг.3).
Электропитание гелиевых течеискателей анализатора пробы (5), компьютера (устройство регистрации результатов анализа (6) и датчика глубины забора пробы морской воды (13) производится от аккумуляторов 12 В, причем указанные устройства размещены в отдельном помещении на судне (1), электропитание остальных устройств обеспечивает судовая система электроснабжения. В качестве плавучего устройства может быть использовано как самоходное судно, так и несамоходное - буксируемая баржа или платформа.
Газожидкостный сепаратор непрерывного действия в устройстве дегазации и сепарации пробы (4) обеспечивает принудительную дегазацию пробы морской воды с определенной степенью дегазации, причем для повышения степени очистки газовоздушной смеси от влаги и попадающих в пробу механических частиц и обеспечения стабильных параметров газового потока (по температуре, давлению и расходу), подаваемого на анализатор газового состава пробы (5) (гелиевые течеискатели), целесообразно установить несколько (например, три) таких устройства параллельно, объединив их в блок линиями подачи/слива жидкости. Такая установка обеспечивает одинаковые условия дегазации одновременно большего объема морской воды, привязанного к конкретной точке профиля, и получения большего количества газа, направляемого на анализ, что повышает его надежность и точность. Установка фильтров грубой и тонкой очистки (на фиг.1 не показаны) в линии забора пробы морской воды (2) перед нагнетательным насосом (3) предохраняют газожидкостные сепараторы от засорения дегазационных емкостей твердыми частицами грунта, придонной взвеси и т.п., что увеличивает ресурс их работы.
Гелиевый течеискатель марки PHD-4 осуществляет процесс измерения содержания гелия в исследуемом газе, при этом два прибора поочередно подключаются для проведения измерений циклами, в частности, в каждом цикле производится 30 измерений со скважностью 3 с. В период работы одного из течеискателей другой прибор отключается, что исключает дрейф показаний приборов. Поочередная работа гелиевых течеискателей обеспечивает ликвидацию мертвых зон (периодов отсутствия наблюдений на профиле подводной съемки). Компьютер (6) (может быть использован, например, ноутбук ASUS Eee PC701) имеет специальное программное обеспечение для управления процессом измерений каждого гелиевого течеискателя, записи в текстовый файл и архивации данных о содержании гелия в точке измерений, в ppm; времени наблюдений и географических координат, получаемых от GPS-антенны, подключенной к USB-порту, по сигналам спутника, а также для передачи данных в береговые службы.
Переносной гелиевый течеискатель модели PHD-4 фирмы Varian (США), обеспечивает измерение концентрации газа гелия Не в пробе вплоть до наинизшего значения 2 ppm (2:1000000 частиц). В выбранной модели анализируемый газ по каналу подачи пробы газа поступает к мембранному насосу, в рабочем цикле пропускающему через кварцевую мембрану только атомы гелия в детектор гелия. Детектор в виде камеры с электродами подсоединен к высоковольтному элементу, обеспечивающему нужное для измерений напряжение на электродах и связанному через усилитель с микропроцессором, к которому также подключены мембранный насос и нагреватель отработанного газа, обеспечивающий его удаление. Управление микропроцессором производится с использованием экранной клавиатуры. Поступление атомов гелия в камеру детектора сопровождается появлением электрического сигнала, пропорционального парциальному давлению гелия, что регистрирует микропроцессор и преобразует сигнал в величину текущей концентрации гелия в пробе. Время отклика прибора - менее 2 с, максимальный дрейф сигнала - 10 ppm/10 мин, диапазон рабочих температур от +5 С до +35 С, время непрерывной работы аккумуляторной батареи - 4 часа. Мембранный насос для выбранной модели гелиевого течеискателя имеет штатные средства обратной продувки для восстановления работоспособности после проведения измерений. Выбор данной модели гелиевого течеискателя обусловлен удобством эксплуатации - отобранные пробы не накапливаются и не хранятся, что повышает надежность анализа и снижает стоимость работ. Кроме того, при использовании данной модели гелиевого течеискателя возможна организация телеметрического канала связи между подключаемым к нему через цифровой вход/выход RS232 беспроводным модулем - Bluetooth-адаптером LM 048 и Bluetooth - интерфейсным блоком компьютера (6). Вместе с тем, анализатор газового состава пробы может быть выполнен на базе высокочувствительных гелиевых течеискателей других типов (мембранные, манометрические, масс-спектрометрические) с аналогичными метрологическими параметрами по чувствительности, быстродействию, аппаратному дрейфу показаний, допускающих организацию телеметрического канала передачи данных.
Компактный цифровой мультиметр (8), например, модели AM-1180, получает по кабелю электропитания (15) сигнал постоянного тока от датчика глубины забора пробы морской воды (13), прямо пропорциональный давлению, действующему на мембрану датчика (13) на глубине измерения, и при наличии программного обеспечения действует как регистратор данных, осуществляя передачу данных в компьютер (6) через порт RS-232. В качестве датчика глубины забора пробы морской воды (13) может быть выбран погружной датчик давления модели LMP 308, источник питания - 12 В. Кабель (15) датчика (13) содержит также пустотелую жилу для подачи атмосферного давления, используемого при градуировке прибора.
При отборе проб с глубин 200-250 м линия забора проб морской воды (2) выполнена из сопряженных нижней жесткой и верхней гибкой частей. Нижняя часть может быть выполнена в виде набора пластмассовых труб, например, фирмы «Экопласт», соединенных между собой муфтами, внутри труб проходит кабель (15) датчика глубины забора пробы морской воды (13). Верхняя часть может быть выполнена из армированного шланга, например, фирмы «SPIRABEL», сопрягаемого с центробежным нагнетательным насосом (3), например, марки DabJet-62M, который обеспечивает подачу сплошного, без разрывов потока морской воды. В месте сопряжения нижней и верхней частей линии (2) удобно установить ответвление - тройник (16), через который выведен наружу кабель (15) датчика глубины забора пробы морской воды (13), идущий к цифровому мультиметру (8). Для отбора проб с глубин до 100 м достаточно использовать только гибкий армированный шланг для забора пробы морской воды.
Устройство используют следующим образом. Плавучее средство, например, самоходное судно (1) подготавливают для проведения полевых работ. В кормовой части палубы судна (1) устанавливают стационарно электролебедку (10) с трособлочной системой, включающей бухту стального троса, на краю кормы крепят направляющий ролик (11) под стальной трос. Монтируют линию пробоотбора в составе: линия забора проб морской воды (2) с фильтрами грубой и тонкой очистки, грузилом (12) и датчиком глубины забора пробы морской воды (13), нагнетательный насос (3) центробежного типа, устройство дегазации и сепарации (4) в составе: блок газожидкостных сепараторов с линией подачи/слива жидкости и подсоединяют ее к анализатору пробы (5) в составе не менее двух гелиевых течеискателей.
Перед началом работ производят градуировку датчика глубины забора пробы морской воды (13), определяя зависимость между глубиной погружения датчика и величиной постоянного тока, проходящего через измерительную схему цифрового мультиметра (8), причем градуировку производят в самой глубокой точке акватории на участке съемки.
После подготовительных операций в месте проведения работ с судна (1) при помощи электролебедки (10) на дно бассейна на заданную глубину опускают армированный шланг линии забора пробы морской воды (2), дублированный стальным несущим тросом (9) и отягощенный грузилом (12). Включают нагнетательный насос (3), после выхода на стабильный режим работы насоса после удаления воздуха из линии (2) судно (1) начинает движение по профилю и производят забор пробы морской воды с заданной глубины акватории, контролируя ее по показаниям цифрового мультиметра (8). Скорость судна (1) не должна превышать величины, обеспечивающей положение датчика глубины забора пробы морской воды (13) на заданной глубине. Вода непрерывным потоком нагнетается, фильтруется и поступает в устройство дегазации и сепарации (4) на газожидкостные сепараторы, например, термовакуумного типа, в которых происходит ее распыление, первичное отделение газовоздушной смеси и подача ее в газоотводной канал для последующего анализа состава. После прохождения газожидкостных сепараторов дегазированная вода по линии слива сбрасывается за борт, а газовоздушная смесь поступает в каналы подачи пробы газа на мембранные насосы гелиевых течеискателей PHD-4, которые производят измерения содержания гелия при поочередном подключении приборов, работая каждый циклами по 30 измерений с интервалами 3 сек между соседними измерениями. Ввиду непрерывного забора проб морской воды газожидкостные сепараторы работают с постоянными объемами жидкости, поэтому в гелиевые течеискатели поступают практически одинаковые объемы газовоздушной смеси, что позволяет регистрировать непрерывное распределение парциального количества искомого газа - гелия - в морской воде вдоль заданной трассы.
С использованием разработанного устройства производили исследование трещиноватости пород в акватории одной из бухт Ладожского озера по данным подводной гелиевой съемки (с выходом на сушу для дополнительного контроля результатов анализа). Гелиевую съемку выполняли по сети профилей с движущегося судна, скорость движения которого не превышала 3 км/час во избежание подъема пробоотборной линии с грузом к поверхности водоема и контролировалась по данным GPS-антенны. Расстояние между профилями было обусловлено геологической изученностью района и его размерами и составило 100 м. Количество измерений в каждом цикле установили равным 30, интервал измерения равен 3 сек. Глубина исследования была ограничена 220 м, что обусловлено совокупностью параметров - длина пробоотборной линии, вес груза, мощность лебедки и т.п.). Забор проб воды производили в непрерывном режиме с глубины не более 1 м от дна (груз при этом скользил по дну), в условиях пренебрежения горизонтальными подводными течениями и сносом пузырьков газа. При обработке полевых данных производили пересчет координат судна, определяемых с помощью GPS-антенны, в координаты точек отбора проб. При таких условиях исследований произвели регистрацию содержания гелия в придонных слоях акватории вдоль заданных трасс и путем интерполяции величин содержания гелия в точках соседних трасс построили карту распределения концентрации гелия в придонных областях исследуемой акватории. Дополнительно использовали результаты наземной гелиевой съемки прибрежных районов данной акватории. Результатом стало построение объединенной карты (фиг.4), показавшей существование области повышенного содержания гелия в породах в направлении северо-восток - юго-запад в акватории, которая прилегала к области повышенной концентрации гелия в прибрежных районах Ладожского озера, и позволила однозначно интерпретировать результат в аспекте геологической структуры данного района. Полученная карта выявила придонные локальные области, в которых содержание гелия многократно превышало фоновые значения, что было интерпретировано как наличие областей повышенной трещиноватости в подстилающих породах с выходом на дно Ладожского озера.
При производстве работ профили гелиевой съемки могут отрабатываться по профилям сейсморазведочных и других геофизических работ для их корреляции. При выявлении аномалий сеть профилей сгущают в 2-4 раза, при этом ориентировочные сроки выполнения гелиевой подводной съемки на площади порядка 100 кв.км при расстоянии между профилями 100 м, скорости движения судна 3 км/час (с учетом подготовительных работ, полевых наблюдений, обработки и интерпретации результатов) составляет около 800 час. В полевых условиях устройство подтвердило свою эффективность и может быть рекомендовано к использованию при исследовании геологических структур и поиске углеводородов на акваториях.