СПОСОБ ОЦЕНКИ ПОТОКА ГАЗА
GAS STEAM ESTIMATION METHOD

Изобретение относится к геофизике, а именно к методам определения потоков газа, переносимых всплывающими в текучих средах пузырьками, и может быть использовано, например, для оценок потока метана газовых «факелов», обусловленного пузырьковым переносом метана со дна океанов, морей и озер.
На многих участках Мирового океана со дна поднимаются пузырьки газа, которые могут образовывать в водной толще устойчивые области их повышенной концентрации - газовые «факела» (ГФ). В большинстве случаев основным компонентом этого газа является метан. Оценка потока метана, переносимого пузырьками в водную толщу и атмосферу, имеет большое практическое значение, поскольку метан является важным тепличным газом.
Известен способ, позволяющий определять поток газа, основанный на том, что над источником пузырьков устанавливают ловушку газа в виде купола (Walter К.М., Zimov S.A., Chanton J.P., Verbyla D., Chapin F.S. Methane bubbling from Siberian thaw lakes as a positive feedback to climate warming // Nature, 2006. V. 443. P. 71-75). Величину потока газа оценивают по объему v накопившегося за некоторое время газа как V/t. Такой способ в основном применяют для оценки потока газа со дна мелководных водоемов, поскольку в условиях глубокого моря постановка подобной ловушки над источником газовыделения и последующее снятие ее для замера скопившегося газа требует больших затрат времени и средств.
Известен способ, позволяющий определять поток газа, основанный на оптическом наблюдении за всплывающими пузырьками (Blanchard D.C., Woodcock А.Н. Bubble formation and modification in the sea and its meteorological significance // Tellus. 1957. V. 9. P. 145-158). Для этого в водоеме размещают погружаемый блок, в состав которого входят источник света и регистратор в виде видео/кинокамеры или фотоаппарата, и производят фото или видео/киносъемку. Величину потока газа оценивают по суммарному объему пузырьков, пересекающих горизонтальную плоскость в единицу времени. Объем каждого пузырька при этом оценивается по размеру пузырька на его изображении с учетом масштаба.
Недостатком способа, основанного на оптическом наблюдении, является то, что для его реализации необходимо поместить погружаемый блок в непосредственной близости от всплывающих пузырьков, при этом он должен быть так ориентирован и стабилизирован в пространстве, чтобы всплывающие пузырьки попали в поле зрения фото или видео/кинокамеры. При исследовании всплывающих пузырьков на глубинах, превышающих десятки метров, это условие выполнить затруднительно, а в ряде случаев невозможно.
Указанного недостатка лишен наиболее близкий к заявляемому метод оценки потока газа, основанный на регистрации сигнала обратного рассеяния звука (ОРЗ) от пузырьков (Саломатин А.С., Юсупов В.И. Акустические исследования газовых «факелов» Охотского моря // Океанология, 2011. Т.51, №5. С.911-919).
,
i
Известный способ заключается в том, что с помощью погруженного в воду акустического преобразователя эхолота в направлении морского дна излучается акустический сигнал. Диаграмма направленности акустического преобразователя и характеристики акустического сигнала, такие как периодичность посылок, длительность посылок, частота и мощность, определяются стандартным образом в зависимости от расстояния между акустическим преобразователем и исследуемым горизонтом, поставленной задачи, уровнем шума и размеров пузырьков. Тем же акустическим преобразователем принимаются сигналы ОРЗ от каждого из пузырьков, пересекающих за время наблюдения Т озвученную зону на исследуемом горизонте. По этим сигналам определяют расстояние от акустического преобразователя сигнала до исследуемого горизонта L, скорости всплытия пузырьков на исследуемом горизонте v и число пузырьков N, пересекающих за время наблюдения Т исследуемый горизонт. Далее, из калибровочной кривой, которая описывает зависимость скорости всплытия пузырьков от размеров, для каждого i-го пузырька оценивается его эквивалентный радиус r по которому определяется его объем V. Поток газа F, переносимого всплывающими пузырьками через исследуемый горизонт единичной площади в единицу времени, определяется с помощью выражения:
<mrow><mi>F</mi><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mrow><msub><mi>V</mi><mi>М</mi></msub><mi>T</mi><mi>S</mi></mrow></mfrac><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mi>N</mi></munderover><mrow><msub><mi>V</mi><mi>i</mi></msub></mrow></mstyle><mtext>,                              (1)</mtext></mrow>
М
где V - молярный объем газа при температуре и давлении на данном горизонте, S -площадь озвученной зоны на исследуемом горизонте, которая определяется стандартным образом по расстоянию от акустического преобразователя сигнала до исследуемого горизонта L и по диаграмме направленности акустического преобразователя. В случае если через исследуемый горизонт всплывают пузырьки одного размера с эквивалентным радиусом r, поток газа определяют с помощью выражения:
<mrow><mi>F</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>4</mn><mi>N</mi><mi>π</mi><msup><mi>r</mi><mn>3</mn></msup></mrow><mrow><mn>3</mn><mo>⋅</mo><msub><mi>V</mi><mi>М</mi></msub><mi>T</mi><mi>S</mi></mrow></mfrac><mtext>.                                    (2)</mtext></mrow>
Данный метод позволяет производить оценку потока газа в различных водоемах при маленькой плотности пузырьков, когда сигналы ОРЗ от каждого из пузырьков на исследуемом горизонте не перекрываются между собой. Основным недостатком известного метода является то, что он не позволяет производить оценку потока газа в условиях плохой погоды и большого водного волнения. В этом случае из-за большого поглощения звука в приповерхностном взволнованном водном слое и сильных помехах не удается достаточно точно измерить скорость всплытия пузырьков.
Задача изобретения состоит в расширении возможностей способа оценки потока газа, переносимого пузырьками.
Технический результат - оценка потока газа в условиях сильных внешних помех, плохой погоды и большого водного волнения за счет определения потока газа не по скорости всплытия пузырьков на исследуемом горизонте, а по высоте всплытия пузырьков над исследуемым горизонтом .
Поставленная задача решается способом оценки потока газа, включающим излучение в направлении дна акустического сигнала, прием и обработку сигнала обратного рассеяния звука от пузырьков, включающую определение расстояния от акустического преобразователя сигнала до исследуемого горизонта, число пузырьков, пересекающих данный горизонт за время наблюдения, высоты всплытия пузырьков над исследуемым горизонтом и вычисление по этим данным значения потока газа с использованием калибровочной кривой зависимости высоты всплытия пузырьков от их размеров.
Способ осуществляют следующим образом.
С помощью погруженного в воду акустического преобразователя, эхолота или гидролокатора в направлении морского дна излучают акустический сигнал. Диаграмма направленности акустического преобразователя и характеристики акустического сигнала, такие как периодичность посылок, длительность посылок, частота и мощность, определяют стандартным образом в зависимости от расстояния между акустическим преобразователем и исследуемым горизонтом, поставленной задачи, уровня шума и размеров пузырьков.
Тем же акустическим преобразователем принимают сигналы ОРЗ от каждого из пузырьков, пересекающих за время наблюдения Т озвученную зону на исследуемом горизонте. По этим сигналам стандартным способом определяют расстояние от акустического преобразователя сигнала до исследуемого горизонта L, высоту всплытия пузырьков над исследуемым горизонтом h и число пузырьков N, пересекающих за время наблюдения Т исследуемый горизонт. Затем по полученному значению h по калибровочной кривой зависимости высоты всплытия пузырьков от их размеров определяют эквивалентный радиус r пузырьков на исследуемом горизонте. Поток газа F, переносимого всплывающими пузырьками через исследуемый горизонт единичной площади в единицу времени, определяют по известной формуле (2).
Калибровочная кривая зависимости высоты всплытия пузырьков от их размеров может быть получена любым стандартным методом, например с использованием искусственных ГФ.
Для построения калибровочной кривой с использованием искусственных ГФ измерения проводят на частоте акустического сигнала в исследуемом месте при благоприятных погодных условиях, обеспечивающих необходимую точность оценки радиусов пузырьков на исследуемом горизонте и высоты их всплытия над исследуемым горизонтом. В качестве источника пузырьков используют установленные на исследуемом горизонте сопла различного диаметра, соединенные через редуктор с баллоном со сжатым газом. Радиус выходящих из сопла пузырьков r, измеряемый стандартным способом с помощью фото- или видеосъемки, изменяют путем изменения диаметра сопла и значения выходящего из сопла потока газа. Высоту всплытия пузырьков над исследуемым горизонтом h определяют по полученным сигналам ОРЗ. По полученным данным зависимости h от r строят калибровочную кривую.
На фиг.1 представлена калибровочная кривая, полученная с использованием искусственного ГФ на частоте 200 кГц.
-1
-8
-8
Экспериментальная проверка предлагаемого способа была осуществлена с использованием искусственного газового факела. Использовался эхолот с частотой 200 кГц, акустический преобразователь которого, погруженный в воду на глубину 2 м, излучал в направлении морского дна акустические сигналы длительностью 1 мс. Первоначально в условиях штиля была построена калибровочная кривая с использованием искусственного ГФ, который был создан вышеописанным способом с помощью баллона со сжатым газом, соединенного через редуктор с соплом, через которые в воду на исследуемом горизонте 22 м выходили пузырьки газа. Радиус пузырьков, который контролировался с помощью анализа их изображений, записанных на цифровую видеокамеру, изменяли в диапазоне 0.5-1.5 мм путем изменения потока газа и использования сопел различного диаметра. Эхолот надежно регистрировал сигналы обратного рассеяния от всплывающих пузырьков. Измеренная глубина всплытия указанных пузырьков лежала в диапазоне 5-18 м, при этом пузырьки с r>1.3 мм выходили на поверхность. По полученным данным была построена калибровочная кривая (фиг.1). Затем провели измерение потока газа искусственного ГФ предлагаемым способом в условиях ветреной погоды, при которой из-за возникших шумов не удавалось определить скорость всплытия пузырьков на исследуемом горизонте с необходимой точностью. При этом высота всплытия пузырьков h и число пузырьков N, пересекающих за время наблюдения Т исследуемый горизонт, определялись надежно и составили h=14,1 м, N/T=0.12 с. С помощью построенной калибровочной кривой по h был определен радиус пузырьков на исследуемом горизонте, равный r=1.1 мм. Далее, подстановкой данных в (2) получен поток F=3.2·10 молей в секунду. Значение истинного потока, который оценивали с помощью анализа записанных на цифровую видеокамеру изображений, выходящих из сопла пузырьков, составило F=2.9·10 молей в секунду.
Данный способ был успешно использован для оценок потока метана на полигоне в море Лаптевых, когда на протяжении всего рейса сохранялись плохая погода и большое водное волнение, которые не позволяли проводить акустические измерения известным стандартным способом
Таким образом, заявленный способ за счет определения потока газа не по скорости всплытия пузырьков на исследуемом горизонте, а по высоте всплытия пузырьков над исследуемым горизонтом позволяет решить поставленную задачу, расширить возможности способа и оценить поток газа на исследуемом горизонте при сильных внешних помехах, в условиях плохой погоды и большого водного волнения.