ГЕОАКУСТИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ ГАЗОГИДРАТОВ

Полезная модель относится к области геофизики, а именно, к поисковым приборам для обнаружения выходов газогидратов к поверхности морского дна.
Картирование месторождений газогидратов на морском дне является актуальной задачей, поскольку углеводороды в ближайшем будущем могут заменить в качестве сырья нефть, запасы которой на Земле ограничены. При этом особенную ценность из-за относительной дешевизны добычи представляют запасы углеводородного сырья, расположенного вблизи поверхности морского дна.
Известна сейсмоакустическая система, предназначенная для изучения структуры и неоднородностей морского дна, которая состоит из генератора сигналов, выход которого соединен с входом излучателя в виде пневмопушки, приемной системы в виде сейсмокосы на основе цепочки электроакустических преобразователей, сигнал с которой поступает на вход усилителя, выход которого соединен с входом регистрирующего устройства (http://www.earthdyn.com/marine.html,. 11.07.2005). Излучатель и приемная система буксируются за судном. Генератор сигналов излучает импульсы, которые подаются на излучатель. Излучатель излучает акустический сигнал с частотой 300 Гц. Отраженные от дна и донных структур сигналы принимаются приемной системой и преобразуются в электрические сигналы, которые усиливаются усилителем и поступают на регистратор. С помощью данной системы можно изучать особенности строения донных осадков до сотен метров. Система позволяет определить положение подошвы газогидратов, ниже которой из-за увеличения температуры метан находится только в газообразном состоянии, по характерному звукорассеивающему слою, связанному с изменением плотности и скорости звука. Недостатком данной системы является низкая разрешающая способность устройства по горизонтали и в связи с этим невозможность точного определения координат и конфигурации газогидратных месторождений из-за того, что излучатель и приемная система имеют широкие диаграммы направленности.
Указанного недостатка лишена известная глубоководная геоакустическая система (Deep towed acoustic/geophysics system (DTAGS)), предназначенная для детального изучения неоднородностей морского дна, которая может опускаться до глубины 5000 м и буксироваться за кораблем. Данная система состоит из генератора импульсов, выход которого соединен с преобразователем на основе излучателя Гельмгольца, выход которого соединен с усилителем, сигнал с которого поступает на
вход регистратора (http://web.uvic.ca/ceor/hydrates/2003/workshop_2003-17_wood.pdf). (12.03.2003) Генератор вырабатывает импульс, при поступлении которого на преобразователь, последний излучает в воду акустический сигнал длительностью 125 мс с частотой заполнения 250-650 Гц. В связи с тем, что данная система располагается в относительной близости от морского дна, она позволяет с точностью до нескольких десятков метров определить координаты и конфигурации газогидратных месторождений и разломов морского дна. Недостатком глубоководной геоакустической системы является ее дороговизна, сложность эксплуатации и невозможность проведения съемки на ходу судна при скорости более 6 узлов.
Кроме этого, существенным недостатком известных систем является использование мощных низкочастотных звуковых волн, которые распространяются в океане на сотни километров и представляют большую экологическую опасность.
Данных недостатков лишены высокочастотные (10-30 кГц) эхолоты. Эхолот устанавливают на борту судна и регистрируют приповерхностные области газогидратов по пузырькам метана, поднимающимся со дна из этих областей, и зачастую образующим в водной толще устойчивые области их повышенной концентрации - "газовые факела" (ГФ). На эхолотных записях ГФ наблюдаются в виде областей повышенного сигнала обратного рассеяния, простирающихся от дна на высоту от нескольких десятков до сотен метров. При отображении на регистраторе-самописце или экране эхолота «газовые факела» обычно представляют протяженные, наклонные области более темного по сравнению с фоном оттенка (Саломатин А.С., Шевцов В.П. Юсупов В.И. Океанологические исследования с помощью эхолотов. Опыт двадцатилетнего использования // Доклады 9-ой школы-семинара акад. Л.М.Бреховских. Москва, 2002, С.250-253).
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому решению является эхолот ELAC (производство ФРГ), который способен обнаружить залежи приповерхностных газогидратов по регистрации скопления пузырьков, выходящих из этих областей в водную толщу. Рабочая частота эхолота 12 кГц, полуширина основного лепестка диаграммы направленности электроакустического преобразователя 12°. Данный эхолот излучает короткие импульсы с импульсной мощностью до 2000 Вт, длительностью 0.8, 3 и 10 мс и позволяет регистрировать отдельные пузырьки и ГФ в водной толще практически от поверхности моря до глубин более одного километра (Саломатин А.С., Юсупов В.И. Газовые факела Охотского моря// Сб. тр. 13 сессии РАО. 2003. Т.4. С.145-148.). Эхолот состоит из генератора электрических импульсов, сигнал с
выхода которого поступает на вход-выход электроакустического преобразователя, вмонтированного в дно судна на глубине около 4,5 м ниже ватерлинии. С выхода преобразователя сигнал поступает на вход усилителя, и далее усиленный сигнал поступает на вход компьютера, где визуализируется на экране в виде эхограммы. Электрический импульс, поступающий на вход электроакустического преобразователя, преобразуется в звуковую волну, которая распространяется в сторону дна. Звуковая волна отражается от неоднородностей плотности и скорости звука водной толщи, поверхности дна, неоднородностей плотности и скорости звука морского дна и возвращается в обратном направлении к электроакустическому преобразователю, который преобразует ее в электрический сигнал. Усилитель усиливает эхо-сигнал, который визуализируется на экране компьютера. На экране появляется изображение всех рассеивавших в обратном направлении звук объектов. Процесс повторяется раз в одну или несколько секунд (Саломатин А.С., Юсупов В.И. Газовые факела Охотского моря // Сб. тр. 13 сессии РАО, 2003, Т.4. С.145-148).
Недостатком прототипа является то, что он неспособен обнаружить выходы газогидратов к поверхности морского дна в случаях «спящего» ГФ, когда по каким-либо причинам процесс выделения газа прекратился (Greinert J., Artemov Y., Egorov V., De Batist M., Daniel McGinnis D. 1300-m-high rising bubbles from mud volcanoes at 2080 m in the Black Sea: Hydroacoustic characteristics and temporal variability // Earth and Planetary Science Letters. 2006. N 244. P.1-15). Причинами прекращения выделения газа областями приповерхностных газогидратов могут быть, например, уменьшение глубинного теплового потока или охлаждение придонных вод.
Задачей заявляемой полезной модели является повышение эффективности и надежности обнаружения выходов газогидратов к поверхности морского дна.
Поставленная задача решается геоакустическим устройством для обнаружения выходов газогидратов к поверхности морского дна, состоящим из генератора электрических импульсов, выход которого соединен с входом-выходом электроакустического преобразователя, выход которого соединен с входом усилителя, выход которого соединен с входом компьютера, при этом устройство дополнительно содержит два интегратора электрических сигналов, делитель аналоговых сигналов и систему регистрации, при этом входы интеграторов связаны с выходом усилителя, а выходы с входами делителя аналоговых сигналов, соединенного с системой регистрации.
Блок-схема заявляемого устройства представлена на фиг.1, где 1 - генератор электрических импульсов, 2 - электроакустический преобразователь, 3 - усилитель, 4 - компьютер, 5 и 6 - интеграторы электрических сигналов, 7 - делитель аналоговых сигналов, 8 - система регистрации.
Заявляемое устройство работает следующим образом. Генератор 1 электрических импульсов периодически выдает электрические импульсы, которые поступают на вход электроакустического преобразователя 2, который преобразует их в звуковую волну и посылает ее в воду. Звуковая волна отражается от дна и неоднородностей морского дна и возвращается к электроакустическому преобразователю 2, который преобразует ее в электрический сигнал, поступающий на вход усилителя 3. Усилитель 3 усиливает, выпрямляет этот сигнал и посылает его на компьютер 4 и интеграторы 5 и 6 электрических сигналов. На экране компьютера 4 появляется изображение "газовых факелов". Сигналы с выходов интеграторов 5 и 6 поступают на вход делителя 7 аналоговых сигналов, на выходе которого появляется сигнал, равный частному от деления интегральных интенсивностей сигнала с выхода интегратора 5 на интегральные интенсивности сигнала с выхода интегратора 6. Сигнал с выхода делителя 7 поступает на вход системы регистрации 8, которая отображает сигнал.
Интеграторы и делитель выполняют, например, на стандартных микросхемах, транзисторах или с применением обычного микропроцессора. Систему регистрации выполняют, например, в виде двухкоординатного самописца или на базе обычного микропроцессора или персонального компьютера.
Принцип действия заявляемого устройства основан на том, что области залегания приповерхностных газогидратов по данным обратного рассеяния высокочастотного звука по сравнению с соседними областями характеризуются повышенным уровнем приповерхностного рассеяния и более быстрым падением уровня обратного рассеяния с глубиной. На фиг.2 представлен фрагмент эхограммы с участком дна, полученной при медленном дрейфе судна на шельфе Охотского моря через область залегания приповерхностных газогидратов. Видно, что непосредственно в области залегания приповерхностных газогидратов, над которой регистрируется ГФ, уровень приповерхностного обратного рассеяния на участке 0-20 мс выше, чем в соседних областях, а уровень рассеяния от более глубоких слоев на участке 20-60 мс - ниже. Возможная причина появления на эхограммах таких характерных областей связана с тем, что в приповерхностном слое осадков содержится большое количество пузырьков газа (в основном метана), образующихся как при разложении имеющихся газогидратов,
так и в процессе миграции газа из более глубоких слоев осадков к поверхностным слоям. Наличие большого количества пузырьков приводит к более сильному поглощению и рассеянию звука. В результате в областях выхода газогидратов к поверхности морского дна сигнал обратного рассеяния звука от приповерхностного слоя осадков (диапазон повышенного приповерхностного рассеяния) увеличивается, а из более глубоких слоев (диапазон пониженного приповерхностного рассеяния) уменьшается.
На фиг.3 приведены осредненные по участку дна порядка сотни метров профили обратного рассеяния звука фоновой области (кривая 1) и газогидратной (кривая 2). Видно, что профили для этих двух областей пересекаются в точке 20 мс. В слое осадков от поверхности дна до глубины, определяемой точкой пересечения профилей, уровень обратного рассеяния звука в области залегания поверхностных газогидратов выше, чем в соседних областях, а в более глубоководном слое осадков, расположенном ниже места пересечения профилей - ниже.
В качестве информационного показателя выходов газогидратов к поверхности морского дна заявитель предлагает использовать отношение интегральных уровней сигналов в диапазонах повышенного и пониженного приповерхностного рассеяния. В этом случае сигнал - результат такого деления при пересечении области приповерхностных газогидратов будет увеличиваться как за счет увеличения сигнала в первом - приповерхностном диапазоне, так и за счет уменьшения сигнала во втором диапазоне. На фиг.4 приведен фрагмент сигнала на выходе делителя аналоговых сигналов, полученный при пресечении области приповерхностных газогидратов (фиг.2). При пересечении данной области уровень сигнала по сравнению с фоном увеличился в среднем в три раза. При этом в качестве порогового значения выхода газогидратов берут значение 2. Тогда сигнал с выхода делителя в фоновых областях лежит ниже порогового значения, а в областях приповерхностных газогидратов - выше.
Выбор величины информационного показателя (пороговое значение) при исследовании конкретной области морского дна определяется конкретными параметрами получаемого сигнала в областях приповерхностных газогидратных месторождений и фоновых соседних областях.
Выбор оптимальных значений конкретных интервалов интегрирования электрических сигналов интеграторов определяется особенностями сигналов обратного рассеяния используемого высокочастотного звука в верхнем слое донных осадков в областях распространения приповерхностных газогидратов и в соседних областях.
Особенности сигналов обратного рассеяния зависят от конкретных параметров используемого устройства (частоты излучения, длительности импульсов, мощности, диаграммы направленности электроакустического преобразователя) и конкретного места работы (глубина, строение и особенности дна). Поэтому при решении задачи об обнаружении приповерхностных областей газогидратов на выбранном участке шельфа определение конкретных значений интервалов интегрирования и порогового значения, оптимальных для данного района, производится экспериментальным путем. Для этого на выбранном участке шельфа первоначально определяют несколько приповерхностных газогидратных областей по ГФ, затем по полученным данным сигналов обратного рассеяния уточняют значения интервалов интегрирования и порога. После определения данных значений выполняют гидроакустическую съемку в данном районе. Участки шельфа, на которых сигнал с делителя превысил определенный ранее порог, соответствуют областям распространения приповерхностных газогидратов.
Технические характеристики используемых элементов и блоков заявляемого устройства определяются измеряемой средой и условиями измерений.
Натурные испытания устройства были проведены в рейсе НИС "Академик М.А.Лаврентьев" на шельфе о.Сахалин в Охотском море.
Устройство обнаружения выходов газогидратов к поверхности морского дна включает генератор электрических импульсов, вырабатывающий сигналы длительностью 0,8 мс с частотой заполнения 12 кГц, поступающие на электроакустический преобразователь пьезоэлектрического типа, вмонтированный в дно судна на глубине 4,5 м ниже ватерлинии. Ультразвуковые сигналы излучались и принимались в вертикальном направлении. Усилитель, соединенный с электроакустическим преобразователем с помощью гибкого кабеля, осуществляет усиление и выпрямление принятого электроакустическим преобразователем эхо-сигнала. Сигнал с усилителя подается на компьютер Silvio с процессором AMD Athlon и звуковой картой Creative Labs и отображается на его экране. Сигнал с усилителя подается также на входы двух интеграторов, собранных на базе обычного микропроцессора. Первый интегратор производит интегрирование сигнала обратного рассеяния звука от поверхности дна до глубины 20 мс, второй - от 20 мс до глубины 60 мс. Сигнал с выходов интеграторов поступает на входы делителя аналоговых сигналов, а затем на вход системы регистрации, выполненной в виде двухкоординатного самописца. Определение интервалов интегрирования и порогового значения осуществлялось путем анализа сигналов обратного рассеяния звука от трех
предварительно определенных по ГФ областей выхода газогидратов к поверхности морского дна. После установки необходимых параметров была выполнена гидроакустическая съемка во всем районе исследований. Наличие приповерхностных газогидратных областей определялось по превышению величины сигнала на выходе делителя определенного порогового значения, равного двум. На фиг.5 «а» приведен вид эхограммы на экране компьютера при пересечении судном нескольких приповерхностных газогидратных областей. На фиг.3 «б» приведен сигнал с выхода делителя аналоговых сигналов заявляемого устройства. Стрелками на фиг.3 «б» обозначены области, в которых данный сигнал больше двух (пороговое значение). Большинству стрелок на фиг.3 «б» соответствуют ГФ на фиг.3 «а». Но есть две стрелки (1 и 2, фиг.5 «б»), которые соответствуют областям «спящих ГФ» (фиг.5 «а», стрелки 1 и 2), над которыми пузырьки газа в момент съемки не выделяются. Для подтверждения эффективности и надежности работы предложенного устройства были выполнены исследования приповерхностного слоя осадков с помощью пробоотборных прямоточных грунтовых трубок на глубинах от поверхности морского дна три и менее метров. Там, где величина сигнала на выходе делителя превышала данное пороговое значение, были обнаружены газогидраты.
Таким образом, совокупность всех существенных признаков предложенного устройства, в том числе использование двух интеграторов электрических сигналов, делителя аналоговых сигналов и системы регистрации, позволяет получить заявляемый технический результат: повышение эффективности и надежности обнаружения выходов газогидратов к поверхности морского дна.