УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОЦЕНКИ ПОТОКА ГАЗА, ПЕРЕНОСИМОГО ВСПЛЫВАЮЩИМИ ПУЗЫРЬКАМИ, ВЫХОДЯЩИМИ ИЗ ДНА ВОДОЕМОВ
DEVICE FOR ESTIMATING GAS FLOW CARRIED BY BUBBLES ASCENDING FROM BOTTOM OF WATER BODIES

Изобретение относится к геофизике, а именно к устройствам для дистанционной оценки потока газа, переносимого всплывающими пузырьками, выходящими из дна водоемов, и может быть использовано, например, для измерения потоков метана на шельфе, переносимого всплывающими пузырьками, выходящими из верхнего осадочного слоя дна.
Известен ультразвуковой расходомер компонентов многофазной среды в трубопроводах [RU 2126143 С1, МПК 6 G01F 1/74, G01F 1/66, опубл. 10.02.1999], который позволяет оценить поток газа, переносимого всплывающими в водоемах пузырьками. Это устройство состоит из двух измерительных камер с излучателями и приемниками акустических импульсов, одна из которых соединена с блоком измерения параметров импульсов, а другая - с блоком измерения скорости многофазной среды, при этом блоки соединены с электронно-вычислительной системой. Ультразвуковой расходомер компонентов многофазной среды позволяет оценить переносимый пузырьками поток газа по скорости перемещения пузырьков и величине их относительного содержания в воде. С его помощью можно оценить поток газа из локального источника на дне водоемов.
Для проведения оценки потока газа из локального источника на дне водоемов это устройство нужно устанавливать на дне водоемов с большой точностью относительно источника. Кроме того, для оценки потока газа с обширного участка дна необходимо произвести последовательно большое число таких измерений, что является очень времязатратным, дорогостоящим, а зачастую и невыполнимым мероприятием.
Известно устройство для оценки потока газа, переносимого всплывающими в водоемах пузырьками [RU 150012 U1, МПК G01S 15/02 (2006.01), опубл. 27.01.2015], выбранное в качестве прототипа, 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.
Точность оценки потока газа таким устройством значительно зависит от характеристик верхнего осадочного слоя дна, из которого пузырьки выходят в водоем. Это связано с тем, что в известном устройстве пузырьки выходят из сопла непосредственно в воду, а естественные пузырьки, выходящие из дна, проходят через верхний осадочный слой. Пузырьки, проходящие через верхний осадочный слой водоемов и выходящие в водоем, 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 водоемов. Наличие таких веществ на поверхности пузырька значительно влияет на скорость всплытия и скорость растворения пузырьков. Поэтому естественные выходящие из верхнего осадочного слоя дна пузырьки и искусственные пузырьки, выходящие из сопла непосредственно в воду, при одном и том же потоке газа могут существенно отличаться по скорости всплытия и скорости растворения. Это приводит к тому, что для одного и того же потока газа сигналы обратного рассеяния звука от всплывающих естественных и искусственных пузырьков будут отличаться. Таким образом, при оценке потока газа возникает ошибка.
Задача изобретения состоит в повышении точности оценки потока газа, переносимого всплывающими пузырьками, выходящими из дна водоемов.
Предложенное устройство для оценки потока газа, переносимого всплывающими пузырьками, выходящими из дна водоемов, так же, как в прототипе, содержит эхолот, который через блок согласования и систему цифровой регистрации соединен с блоком управления и регистрации, который соединен с GPS/ГЛОНАСС приемником и эхолотом, генератор пузырьков, содержащий баллон с газом, соединенный с системой подачи газа, и сопло, опускаемое в водоем, причем система подачи газа связана с блоком управления и регистрации.
Согласно изобретению к системе подачи газа присоединена опускаемая на дно водоема платформа, на боковой поверхности которой, внизу, под углом к вертикали, закреплено сопло, на конце которого закреплена насадка, торец которой, обращенный в сторону донных осадков, выполнен сужающимся.
Донная платформа может быть выполнена в виде цилиндра из стали.
Сопло может быть выполнено из стальной трубки и установлено на донной платформе под углом 30-45° к ее вертикали.
Насадка может быть выполнена из стали в виде конуса.
Достижение заявленного технического результата, а именно повышение точности оценки потока газа, переносимого всплывающими пузырьками, выходящими из дна водоемов, происходит за счет того, что при калибровке устройства с помощью генератора пузырьков пузырьки по своим характеристикам максимально приближены к естественным пузырькам, выходящим из верхнего осадочного слоя дна. Происходит это за счет того, что искусственные пузырьки выходят из сопла в верхнем осадочном слое дна и перед выходом из дна в водную толщу проходят через этот слой. В результате они покрываются частичками вещества осадочного слоя и поэтому по скорости всплытия и скорости растворения уже практически не отличаются от естественных пузырьков. Технически это достигается тем, что сопло имеет на своем конце насадку и устанавливается на опускаемой на дно водоема донной платформе, и при постановке донной платформы на дно водоема сопло с насадкой погружается на некоторую глубину в верхний осадочный слой дна.
На фиг. 1 представлена блок-схема устройства для оценки потока газа, переносимого всплывающими пузырьками, выходящими из дна водоемов.
Устройство для оценки потока газа, переносимого всплывающими пузырьками, выходящими из дна водоемов, содержит блок управления и регистрации 1 (БУР), который связан с эхолотом 2 (Э), к которому последовательно подсоединены блок согласования 3 (БС), система цифровой регистрации 4 (СЦР), которая соединена с блоком управления и регистрации 1 (БУР), который связан с GPS/ГЛОНАСС приемником 5 (П). Генератор пузырьков 6 (ГП) содержит последовательно соединенные баллон с газом 7 (БГ), систему подачи газа 8 (СПГ), донную платформу 9 (ДП), закрепленное на ее боковой поверхности, внизу, под углом 30-45° к вертикали, сопло 10 (С), на конце которого закреплена насадка 11 (Н), торец которой, обращенный в сторону донных осадков, выполнен в виде конуса.
Устройство для оценки потока газа, переносимого всплывающими пузырьками, выходящими из дна водоемов, устанавливают на судно. Предварительно в заданном районе с помощью генератора пузырьков 6 (ГП) проводят калибровку. Для этого судно становится в дрейф на участке, на котором нет естественных всплывающих пузырьков. Затем на дно водоема непосредственно под эхолотом 2 (Э) опускают соединенные с системой подачи газа 8 (СПГ) донную платформу 9 (ДП) и закрепленное на ней сопло 10 (С), на конце которого установлена насадка 11 (НАС). При установке донной платформы 9 (ДП) на дно водоема сопло 10 (С) с установленной на его конце насадкой 11 (НАС) погружается в верхний осадочный слой дна. Насадка 11 (НАС) предохраняет сопло 10 (С) от механического повреждения и засорения осадочными породами при его погружении в верхний слой донных осадков. По команде с блока управления и регистрации 1 (БУР) система подачи газа 8 (СПГ), на который газ поступает из баллона с газом 7 (БГ), обеспечивает заданный поток газа, поступающий на донную платформу 9 (ДП) и выходящий из сопла 10 (С) в верхний осадочный слой в виде пузырьков. Пузырьки проходят через верхний осадочный слой и, выйдя из дна водоема, всплывают в водной толще. Одновременно в направлении дна излучается акустический сигнал эхолота 2 (Э). Этим же эхолотом 2 (Э) принимаются сигналы обратного рассеивания звука от выходящих из дна и всплывающих пузырьков. Сигналы обратного рассеивания звука через блок согласования 3 (БС) и систему цифровой регистрации 4 (СЦР) поступают на блок управления и регистрации 1 (БУР), где обрабатываются и отображаются в виде эхограммы, которая показывает распределение сигнала обратного рассеивания звука под эхолотом 2 (Э). Изменяя величину потока газа, выходящего из сопла 10 (С), строится калибровочная зависимость величины сигнала обратного рассеивания звука от величины потока газа для различных глубин Н.
Затем проводится оценка естественного потока газа, переносимого всплывающими пузырьками, в заданном районе. В зависимости от поставленной задачи измерения проводятся в дрейфе или на ходу судна, на котором установлено предлагаемое устройство. По команде с блока управления и регистрации 1 (БУР) акустический сигнал эхолота 2 (Э) излучается в направлении дна. Этим же эхолотом 2 (Э) принимаются сигналы обратного рассеивания звука от выходящих из дна и всплывающих пузырьков. Сигналы обратного рассеивания звука через блок согласования 3 (БС) и систему цифровой регистрации 4 (СЦР) поступают на блок управления и регистрации 1 (БУР), где обрабатываются и отображаются в виде эхограммы. С использованием полученной ранее калибровочной зависимости для глубины Н по величине сигнала обратного рассеивания звука от пузырьков производится оценка потока газа, переносимого всплывающими пузырьками. Одновременно на блок управления и регистрации 1 (БУР) поступает сигнал с GPS/ГЛОНАСС приемника 5 (П) для записи текущих координат. Таким образом, в заданном районе можно выполнить измерение потока газа, переносимого всплывающими пузырьками, выходящими из дна водоемов, в заданной точке или провести съемку, например, путем выполнения параллельных галсов и получить распределение величины потока газа, переносимого всплывающими пузырьками, по всему району.
Характеристики эхолота 2 (Э), входящего в состав комплекса для оценки потока газа, переносимого всплывающими пузырьками, выходящими из дна водоемов (периодичность и длительность посылок, частота сигнала, мощность, характеристики диаграммы направленности), определяются стандартным образом в зависимости от глубины, поставленной задачи, погодных условий, размеров всплывающих пузырьков. Для достаточно больших глубин (более 300 м) регистрацию лучше производить на частотах 20-50 кГц, поскольку сигнал с более высокими частотами сильно затухает. На мелководных участках (глубина меньше 300 м) предпочтительнее работать с частотами в диапазоне 50-250 кГц. Блок управления и регистрации 1 (БУР) может быть выполнен на базе персонального компьютера или с использованием микропроцессоров. Блок согласования 3 (БС), система цифровой регистрации 4 (СЦР), GPS/ГЛОНАСС приемник 5 (П) могут быть стандартными. В качестве баллона с газом 7 (БГ) может быть использован стандартный баллон с метаном, а для мелководных участках - с любым другим, в том числе инертным, газом. Система подачи газа 8 (СПГ) может быть выполнена на базе редуктора БКО-50-4, ротаметра для измерения расхода газа серии LZM-4T и шланга высокого давления. Донная платформа 9 (ДП) может быть изготовлена, например, из стали. При постановке на дно она должна располагаться на поверхности дна и сохранять устойчивость. Сопло 10 (С) устанавливается на донной платформе (ДП) таким образом, чтобы при постановке донной платформы 9 (ДП) на дно оно погружалось в верхний осадочный слой на заданную глубину. Сопло 10 (С) может быть выполнено в виде трубки из стали с внутренним диаметром 1-5 мм. Внешний диаметр сопла 10 (С) определяет его прочностные характеристики и выбирается исходя из характеристик донных осадков в заданном районе. Насадка 11 (НАС), которая устанавливается на конце сопла 10 (С), может быть изготовлена из стали. Она должна надежно крепиться на сопле 10 (С), например, с помощью резьбового соединения или сварки. Торец насадки 11 (НАС), обращенный в сторону донных осадков, может быть выполнен заостренным для облегчения вхождения в них. Насадка 11 (НАС) должна быть выполнена таким образом, чтобы торец сопла 10 (С) не перекрывался элементами насадки 11 (НАС) и из него в верхний слой донных осадков свободно выходили пузырьки газа. Технические характеристики используемых элементов и блоков заявляемого устройства определяются поставленной задачей и условиями измерений.
Натурные испытания устройства были проведены на мелководном полигоне в Японском море глубиной 12 м с естественным газовым факелом. Устройство для оценки потока газа, переносимого всплывающими пузырьками, выходящими из дна водоемов, было установлено на судне. В комплексе использовался эхолот 2 (Э) с частотой 200 кГц. Блок управления и регистрации 1 (БУР) был выполнен на основе персонального компьютера на базе процессора Intel Core i5 под управлением операционной системы Windows. Блок согласования 3 (БС) и система цифровой регистрации 4 (СЦР) были стандартными. В качестве баллона с газом 7 (БГ) использовался стандартный баллон с азотом. Система подачи газа 8 (СПГ) была выполнена на базе редуктора БКО-50-4, ротаметра для измерения расхода газа серии LZM-4T и шланга высокого давления, выдерживающего давление 50 атм. Донная платформа 9 (ДП) была изготовлена из стали в виде цилиндра диаметром 30 см и толщиной 10 см. На донной платформе 9 (ДП) под углом 30° к вертикали было установлено сопло 10 (С), изготовленное из стальной трубки с внутренним диаметром 5 мм и внешним диаметром 10 мм. На конце сопла 10 (С) была установлена насадка 11 (НАС) из стали. Насадка 11 (НАС) представляла собой конус с диаметром основания 20 мм, закрепленный на конце сопла (С) посредством трех стальных прутков диаметром 5 мм с помощью сварки.
Предварительно на полигоне с помощью генератора пузырьков 6 (ГП) была проведена калибровка. Частота посылок акустических сигналов эхолота 2 (Э) составляла 2 Гц, при этом второе и последующие отражения акустических сигналов от дна не попадали на эхограмме на сигнал от водной толщи. Длительность посылок составляла 0.3 мс. При калибровке судно встало в дрейф вдали от естественного газового факела и на дно водоема непосредственно под эхолотом 2 (Э) опустили соединенные с системой подачи газа 8 (СПГ) донную платформу 9 (ДП) и сопло 10 (С) с установленной на его конце насадкой 11 (НАС). При установке донной платформы 9 (ДП) на дно водоема сопло 10 (С) с установленной на его конце насадкой 11 (НАС) погрузилось в верхний осадочный слой дна на глубину около 10 см. По команде с блока управления и регистрации 1 (БУР) система подачи газа 8 (СПГ), на которую газ поступает из баллона с газом 7 (БГ), обеспечила заданный поток газа, поступающий на донную платформу 9 (ДП) и выходящий из сопла 10 (С) в верхний осадочный слой в виде пузырьков. Одновременно в направлении дна излучался акустический сигнал эхолота 2 (Э). Этим же эхолотом 2 (Э) принимались сигналы обратного рассеяния звука от выходящих из дна и всплывающих пузырьков. Сигналы обратного рассеяния звука через блок согласования 3 (БС) и систему цифровой регистрации 4 (СЦР) поступали на блок управления и регистрации 1 (БУР), где обрабатывались и отображались в виде эхограммы. Изменяя величину потока газа, выходящего из сопла 10 (С), была построена калибровочная зависимость величины сигнала обратного рассеяния звука от величины потока газа для различных глубин Н.
Затем проводилась оценка потока газа, переносимого всплывающими пузырьками от естественного газового факела. Измерения проводились в дрейфе судна над естественным газовым факелом. По команде с блока управления и регистрации 1 (БУР) акустический сигнал эхолота 2 (Э) излучался в направлении дна. Этим же эхолотом 2 (Э) принимались сигналы обратного рассеивания звука от выходящих из дна и всплывающих пузырьков. Сигналы обратного рассеивания звука через блок согласования 3 (БС) и систему цифровой регистрации 4 (СЦР) поступали на блок управления и регистрации 1 (БУР), где обрабатывались и отображались в виде эхограммы. С использованием полученной ранее калибровочной зависимости по величине сигнала обратного рассеивания звука от пузырьков производилась оценка потока газа для различных глубин Н. Одновременно на блок управления и регистрации 1 (БУР) поступал сигнал с GPS/ГЛОНАСС приемника 5 (П) для записи текущих координат. Для проверки полученных данных с борта судна на дно была опущена ловушка газа, выполненная в виде перевернутой воронки с закрытым горлышком, которая полностью закрыла источник естественного газового факела. При этом все выходящие из естественного газового факела пузырьки постепенно собирались в горлышке ловушки. Поток газа определялся по величине объема собранного газа за определенный период времени после установки ловушки на дно. Сравнение полученных результатов показало, что объективная оценка величины потока газа, переносимого всплывающими пузырьками, выполненная с помощью ловушки, с приемлемой точностью 12% совпала с оценками, полученными с помощью устройства для оценки потока газа, переносимого всплывающими пузырьками, выходящими из дна водоемов. Оценки, выполненные с помощью прототипа, дали погрешность оценки потока газа, переносимого всплывающими пузырьками, на уровне 25%.
Таким образом, предложенное устройство для оценки потока газа, переносимого всплывающими пузырьками, выходящими из дна водоемов, позволило достичь поставленной задачи, а именно повысить точность оценки потока газа, переносимого всплывающими пузырьками, выходящими из дна водоемов.