Мобильный вакуумный дезинтегратор проб донных осадков и грунтов
MOBILE VACUUM DISINTEGRATOR SAMPLES OF BOTTOM SEDIMENTS AND SOILS

Изобретение относится к газогеохимическим исследованиям грунтов и может быть использовано при проведения газогеохимической съемки для выявления на поверхности морского дна аномалий газообразных и жидких углеводородов, как индикаторов прогноза и поиска залежей углеводородов, газогидратов, и решения других геологических, геофизических, океанологических, акустических задач и инженерного проектирования
Известно, что по изменению состава природного газа в донных осадках и в придонном слое воды, соотношения концентраций его компонентов, оценивают сейсмическую активность, определяют зоны разломов, нарушения поверхности дна, осуществляют прогноз землетрясений, используют при инженерном проектировании строительства на морском дне.
При проведении газогеохимической съемки объекта геологическими трубками отбираются пробы грунтов, в том числе для извлечения из них газа, который затем анализируется на газовом хроматографе, определяя состав, количество и соотношения газовых компонентов.
Существует два способа определения концентрации газовых компонентов в кернах донных осадков, отобранных геологической трубкой со дна речных долин или моря - вакуумный и вакуумно-механический. При реализации первого способа используют различные дегазационные установки, в которых интенсификация процесса извлечения газов из пробы обеспечивается термической обработкой, например, дегазационные установки по а.с. SU №422843, 880995, 1505899. Недостатком способа является, во-первых, образование новых газовых компонентов при термическом воздействии, которые мешают корректному определению природного состава газа, во-вторых, длительность реализации способа на данных установках и не учет физических характеристик выделяющихся газовых компонентов, например, метан выходит из раствора достаточно быстро, тяжелые углеводороды (С2-С4) очень медленно. На результаты оказывает влияние изменение температуры, давления газа внутри емкости с пробой, изменение объемов пробы осадка, количества газа в пробе осадка и другие характеристики.
Известны вакуумно-механические установки, в основу которых положено разрушение пробы донных осадков с помощью различных типов дезинтеграторов без термообработки образцов. Основной проблемой этих способов является некорректность взятия пробы донных осадков, которая в процессе отбора и помещения пробы в установку может потерять значительную часть газа.
Известна установка для обработки пробы грунта для последующего определения газонасыщенности, в которой в качестве дезинтегратора пробы грунта установлен газожидкостный сверхзвуковой эжектор. Установка содержит два контура: основной - дегазации воды и полученного после подготовки грунта раствора, который включает приемную емкость, насос, эжектор и газосборник, и вспомогательный контур дегазации грунта, связывающий распределительную головку узла подготовки пробы грунта с приемной емкостью, напорным трубопроводом и вакуумной магистралью, (п. РФ №2348931). Недостатком является сложность и длительность пути процесса извлечения газа, что ведет к потере газа и, особенно важно, потери более легких газов - метана, гелия, водорода, которые важны как индикаторы источника поступления газа, из мантии, залежей углеводородов, вулканичееких очагов.
Известен вакуумный дезинтегратор, который рассматривается нами как наиболее близкий аналог. Дезинтегратор содержит вакуумную камеру из оргстекла для помещения пробы осадка с крышкой, снабженной штуцером с вакуумным клапаном для откачки газовой фазы, соединенную с вакуумным дегазатором. Вакуумная камера снабжена пробойником из закаленной стали для полного разрушения стеклянного контейнера, в котором в загерметизированном состоянии находится проба (з. №2007142968, опубл. 27.05.2009). За счет увеличения площади и уменьшения толщины дегазируемого слоя устраняются искажения количественного соотношения газовых компонентов в газовой смеси и возрастает степень дегазации. Одним из существенных недостатков данной установки является необходимость герметизации стеклянного контейнера с пробой и длительность процесса дегазации. Особенно сложно осуществить использование этого устройства в экспедиционных условиях в море на судне.
Таким образом стоит проблема расширения арсенала средств для извлечения газа из проб донных осадков и грунтов при проведении газохимической съемки исследуемой поверхности.
Технический результат - новый вариант мобильного вакуумного дезинтегратора проб донных осадков и грунтов с последующим анализом извлеченного газа на хроматографе, преимущественно, для использования в экспедиционных условиях.
Проблема решается вакуумным дезинтегратором проб донных осадков и грунтов включающим, дезинтеграционную камеру с расположенными внутри металлическими шариками, снабженную крышкой с отверстием, оборудованным вакуумным клапаном для откачки газовой фазы, и входным отверстием для внесения пробы, расположенным в основании камеры, соединенным с системой внесения исследуемой пробы, представляющей собой технологическую раму, между верхним и нижним основаниями которой установлен съемный приемный сосуд, верхнее основание рамы снабжено средством соединения с основанием дегазационной камеры и отверстием, сопряженным с входным отверстием камеры, а нижнее основание - поршнем с винтовым нарезом, сопряженным с резьбой в технологической раме, установленным с возможностью движения в приемном сосуде, выполненным в виде цилиндра, оборудованного съемным вакуумным вкладышем, при этом один из концов цилиндра снабжен внешним кольцевым ограничителем и внутренним технологическим приливом.
На фиг. 1 изображен общий вид одного из возможных вариантов (опытный образец) заявляемой установки, а на фиг. 2 показана установка в разобранном виде, где а - дезинтеграционная камера с металлическими шариками (на фиг .не показаны), 6 - система внесения пробы, при этом 1 - корпус камеры; 2 - крышка; 3 - выходное отверстие крышки с вакуумным клапаном; 4 - основание камеры; 5 - входное отверстие камеры; 6 - стойки технологической рамы; 7 - приемный сосуд; 8 - поршень, 9 - отверстие технологической рамы; 10 - крепежные винты.
Устройство включает дезинтеграционную камеру с металлическими шариками, жестко соединяемую с системой внесения в нее исследуемой пробы осадка, при этом входное отверстие камеры сопряжено с входом приемного сосуда и отверстия технологической рамы.
Использование заявляемого устройства осуществляют следующим образом.
Приемный сосуд (7), с расположенным внутри вкладышем (на фиг .не показан), противоположным кольцевому ограничителю концом постепенно внедряется в керн донного осадка до полного заполнения сосуда пробой, при этом гибкий вакуумный вкладыш сосуда, продвигаясь вдоль него до технологического прилива, герметизирует противоположный конец сосуда. Для облегчения вхождения цилиндра в керн внедряющийся конец может быть заостренным. Затем сосуд (7) с пробой устанавливают в технологическую раму (6), размещая его свободный конец на днище поршня (8), что обеспечивает герметизацию второго конца сосуда (7). Полученную систему (б) жестко соединяют крепежными винтами (10) с основанием (4) дезинтеграционной камеры, совмещая входное отверстие камеры (5) с отверстием (9) верхнего основания рамы, то есть фактически с отверстием приемного сосуда, закрытого вкладышем. Дезинтеграционная камера (1) с помещенными в нее ранее металлическими шарами через выходное отверстие (3) вакуумируется, подключив к вакуумному насосу. После вакуумирования камеры (1), поршень (8) методом вкручивания по резьбе технологической рамы передвигаясь вдоль сосуда (7), выдавливает в камеру (1) пробу осадка через сопряженное с камерой отверстие приемного сосуда (7) вместе с вкладышем, при этом входное отверстие (5) камеры закрывается днищем поршня (8), герметизируя камеру от внешней среды. Далее установку подвергают вибрационному воздействию, используя любой из возможных способов механического встряхивания, в том числе, например, шейкер или ручная встряхивание. Через вакуумный клапан (3) выделившийся газ извлекается из камеры в вакуумный дегазатор для последующего определения объема газа и его химического состава на газовом хроматографе.
Дезинтеграционная камера может быть изготовлена из любого пригодного материала, выдерживающего задаваемый вакуум 0.1 мм рт.ст., например, органического стекла. Количество металлических шариков определяется опытным путем. Например, экспериментально было определено, что при объеме камеры 100 мл наиболее качественно осадок разрушается на мельчайшие частички с применением 5 шт. шариков диаметром 6 мм и 5 шт. диаметром 4 мм.
Соединение камеры и системы внесения пробы может быть выполнено любым приемлемым способом, например, как показано на Фиг. 1, то есть с использованием крепежных винтов (10) и удлиненных стоек технологической рамы, проходящих сквозь отверстия основания камеры. Можно наоборот снабдить основание камеры винтами, а стойки рамы резьбой для полного сбора устройства.
Поршень может быть как металлическим, так и полимерным, изготовленным например, из термореактивных или фторированных полимеров, типа ПТФЭ, или керамических материалов. Соединение камеры и крышки может быть выполнено например, винтовым или резьбовым.
3
3
2
2
2
2
Заявляемый дезинтегратор прост в изготовлении и использовании, позволяет повысить мобильность и эффективность проводимых научных и практических геологических исследований при изучении газовой составляющей в литосфере, давая возможность в экспедиционных условиях значительно сократить время проводимых исследований, что особенно ценно при огромных площадях океанических исследований на наличие газовых компонентов осадков, определить их качественный и количественный состав, что затем используют как индикатор для решения геологических, экологических и других задач. Заявляемая установка прошла опытную апробацию в экспедиции на НИС «Академик Опарин», рейс Ор52 в Охотском море в июле 2017 г. Был исследован район Сахалинского северо-восточного склона Охотского моря и обнаружены газогидраты и потоки пузырей газов из донных отложений. Анализ показал наличие следующих газов: метан - 200 мл/дм, тяжелые углеводороды (С2-С4) - 100 мкл/дм, что превышает фон в 100000 раз, а также CO, O, N, Н, Не. Обычно аномалии метана и тяжелых углеводородов характеризуют наличие нефтегазовых залежей, газогидратов, углекислый газ является индикатором активной вулканической и грязевулканической деятельности, водород и гелий характеризуют поступление газа из низов земной коры и мантии и сейсмическую активизацию, метан и углекислый газ являются парниковыми газами и участвуют в глобальном процессе изменения, потепления климата.