Спосіб визначення газопроявів в придонних шарах моря

Спосіб визначення газопроявів у придонних шарах моря шляхом виявлення газу у вільному стані на досліджувальній ДІЛЯНЦІ морського дна по профілях, який відрізняється тим, що безупинно вимірюють у воді об'ємну концентрацію вільного газу з одночасним визначенням розмірів газових бульбашок і по аномально високій об'ємній концентрації вільного газу з урахуванням розподілу розмірів бульбашок оконтурюють перспективний на вуглеводні район засобі, що рухається, газоаналізатор з самописцем, забірний пристрій, з'єднаний з фільтром тонкої очистки, осушувачем, повітряним насосом, та відрізняється тим, що в нього додатково введений розпушувач типу ножа Перевагою такого пристрою є можливість безперервного КІЛЬКІСНОГО визначення складу газу, що виділяється ґрунтовим шаром, і тим самим відділення зон з аномальним виходом газу Істотні обмеження на використання вказаного пристрою накладають два чинники прохідність транспорту на ДОСЛІДНІЙ ДІЛЯНЦІ та од норідність грунту, яка допускає роботу розпушувача В цілому ні даний пристрій, ні його модифікації не можуть використовуватись в морських умовах Згідно існуючим уявам, газ в рідині може знаходитись як в зв'язаному стані, розчиненому у воді (у вигляді молекул і груп молекул, які не мають мікроскопічної межі розподілу з рідиною) і у вільному стані у вигляді газових бульбашок різних розмірів, від мікроскопічних до видимих, радіуси яких можуть досягати одиниць міліметрів Якщо зазначити об'ємну концентрацію газу (см3/см3), який знаходиться у зв'язаному стані as та у вільному стані an, то повна об'ємна концентрація газу ао в рідині при фіксованому значенні температури та тиску визначається виразом ао = as + an Фільтрування газу у морську воду з порід дна, що покривають поклад, проходить, в основному, у зв'язаному (розчиненому) вигляді Можливі також появи газу у вільному стані у вигляді газових бульбашок Для цього необхідно виконання двох О о о (О ю 57600 виходу в воду з дна моря, необхідно знати швидумов тиск насичення розчиненого газу у пластовій кість підйому бульбашок до поверхні та швидкість воді чи нафті повинен бути вищим за пластовий, а течи Виконані дослідження по визначенню швидпластовий тиск - вищим за гідростатичний При кості підйому газових бульбашок [7] наведені на цьому розміри газових бульбашок будуть визначаграфіку, де зображена залежність швидкості підтися кількома умовами з урахуванням значень йому бульбашки V (мм/с) від и розміру (радіусу а), вказаних тисків, температурного градієнту на гравідображених в мкм 3 графіку отримані наступні ниці перехідної зони, проникності геологічних струдані ктур, які перекривають газовий поклад, їх товщини та іншими факторами а = 15,5мкм - V = 0,1 мм/с а = 26,4мкм - V = 1,0мм/с Традиційний відбір проб води на визначення а = ЗЗ.Омкм - V = 3,0мм/с газового складу поблизу дна моря, розрахований а = 41,0мкм - V = 10,0мм/с на визначення об'ємної концентрації зв'язаного а = ЮО.Омкм - V = 24,0мм/с (розчиненого) в морській воді газу, виявляється не а = 200,0мкм - V = 48,0мм/с ефективним Поклади вуглеводнів можуть бути а = ЗЗО.Омкм - V = 80,0мм/с пов'язані з шельфовою зоною, де невеликі глибиа = 410,0мкм - V = 100,0мм/с ни моря, де завжди існують придонні течи різного а = 500,0мкм - V = 121,0мм/с характеру Під дією гідродинамічного потоку, обуа = ЮОО.Омкм - V = 242,0мм/с мовленого течією, рідина разом з розчиненим в ній а = 2000,0мкм - V = 484,0мм/с газом переноситься на значні відстані від ділянки а = ЗООО.Омкм - V = 730,0мм/с виходу газу з порід дна в воду При цьому об'ємна а = ЗЗОО.Омкм - V = 800,0мм/с концентрація розчиненого в воді газу при незмінних тиску і температурі (що відповідає ПОСТІЙНІЙ Швидкість течи в районі досліджень можливо глибині шельфу) залишається майже без змін При визначити по лоцм або виміряти II величина в бісередній швидкості течи 2 - 3 вузли придонні шари льшості випадків не перевищує двох-трьох вузлів морської води можуть переміщатися на протязі Якщо прийняти за початкові дані середнє значендоби на відстань близько 100км 3 урахуванням ня глибини шельфу 100м і швидкість течи 3 вузли можливого напрямку течи і часткової дегазації (1,5м/с), то можливо визначити, що бульбашки з просторовий характер розподілу об'ємної концентрозмірами в декілька десятків мікрометрів (швидрації розчиненого газу ускладнюється настільки кість підйому за рахунок сил плавучості близько суттєво, що можливість оконтурювання покладів 1,0мм/с) досягнуть поверхні моря на відстані блишляхом взяття окремих проб стає дуже проблемазько 150км від точки їх виходу з дна Бульбашки з тичною розмірами 41 мкм (швидкість підйому 10м м/с) спливуть на поверхню при тій же швидкості течи Як відмічалося раніше, виходячи з процесу на відстані 15км Для бульбашок з розмірами фільтрації газу в морську воду з порід дна, які поЗЗОмкм (швидкість підйому 80мм/с) ця відстань кривають газові поклади, можливе надходження скоротиться до 1,87км, а для бульбашок з радіугазу і в вільному стані, у вигляді газових бульбасом 1мм (v = 242мм/с) - до 0,62км Слід відзначишок Локальні виходи вуглеводневих газів, зокрети, що при переході бульбашок на менші глибини ма метану, з донних осадків, так звані "сіпи", в різза рахунок розширення газу відбудеться збільних частинах Світового океану виявлені і описані шення їх об'єму і, як наслідок, зріст швидкості [4, 5] В Чорному морі з допомогою підводної ласпливання Цей процес буде впливати на швидбораторії "Бентос" на дні були візуально виявлені кість підйому бульбашок з більшими розмірами поля газовиділення [6] Наведена вище інформаПри цьому раніше вказані відстані будуть змінювація підтверджує, що на окремих ділянках моря істись тільки в бік їх зменшення Зниження швидконують газопрояви як в зв'язаному, так і в вільному сті течи при інших рівних умовах також приведе до стані, у вигляді газових бульбашок зменшення відстані між місцем виходу газових Розміри газових бульбашок, які виділяються з бульбашок з порід дна та місцем спливання їх на дна моря, у ВІДПОВІДНОСТІ з умовами виникнення, поверхню розподілені в інтервалі радіусів від одиниць мікрометрів (не видимих оком) до декількох міліметрів, Таким чином, приведений аналіз показує, що які добре розпізнаються візуально на дні шельфобульбашки, радіус котрих складає декілька десятвої зони ків мікрометрів, як і зв'язаний (розчинений) в воді газ, при наявності течи мігрують на великі відстані Розглядаючи процес газопроявів з точки зору і з цього приводу не можуть бути використані для можливості оконтурювання аномальних зон по виділення ділянок газопроявів на дні моря При вмісту газових бульбашок, належить ВІДМІТИТИ, ЩО вимірах вони будуть визначати рівень фонових траєкторія бульбашки визначається взаємодією перешкод Всі газові бульбашки, з розмірами, які двох сил Перша з них - гідродинамічна сила потобільше вказаних, є інформативними і дозволяють ку, яка викликана придонною течією, діє на газову при визначенні їх концентрації визначити межі бульбашку в напрямку руху рідини практично гоаномальних зон газопроявів з похибкою, що обуризонтально Друга - архимедова сила (сила пламовлена їх розмірами та швидкістю течи (від вучості) направлена вертикально вверх Векторне менш, ніж одного, до десяти та більше кілометрів) складання швидкості гідродинамічного потоку та вертикальної швидкості підйому бульбашки дають З усіх геофізичних методів дослідження по напрямок і швидкість руху бульбашки в товщі води практичному використанню найбільш близьким до до моменту виходу його на поверхню моря заявленого є спосіб безперервного сейсмічного профілювання [8] для визначення газопроявів в Для того, щоб оцінити горизонтальну відстань придонних шарах моря шляхом виявлення газу в місця виходу бульбашки на поверхню від місця її 57600 відбитого сигналу майже на порядок Оскільки таке вільному стані на досліджуваній ДІЛЯНЦІ морського збільшення амплітуди фіксується тільки на локадна по реакції відображеного сигналу при безпельній ДІЛЯНЦІ діаграми, з цієї причини воно отрирервному звуковому зондуванні залягаючих порід мало назву "яскравої плями" Однак, ця залежність Інакше кажучи, по ступеню насичення донних неуніверсальна, багато "яскравих плям" викликаосадків газом в вільному стані (у вигляді бульбаються змінами іншого типу, а не промисловими шок) можливо виявити ділянки дна з заляганням накопиченнями вуглеводнів Якщо перекриваючі вуглеводнів Вказаний спосіб базується на добре відклади характеризуються значно меншою швидвідомому методі активної локації середовища, що кістю, ніж порода колектор, то наявність вуглеводполягає в періодичному випромінюванні акустичнів зменшує контраст та створює "тьмяні плями" них зондуючих імпульсів і наступному вивченні Таке явище ІНОДІ спостерігається там, де карбонахарактеристик ехосигналів, розсіяних або відбитих тний колектор перекритий глинами від неоднорідностей середовища Розрішаюча спроможність методу визначається довжиною З'являються і ІНШІ складнощі Для збільшення хвилі зондуємого сигналу Для виділення на дні глибини дослідження бажано використати більш моря геологічної структури з визначеними геометнизькочастотний зондуємій сигнал Однак, потужричними розмірами довжина хвилі повинна бути ність пласта-колектора, як правило, мала по відменша, ніж відстань між її межами, але більша, ніж ношенню до дозволяючої спроможності метода характерні розміри окремих неоднорідностей, які сейсмічного профілювання Тому відбиття від помістяться у середині структури, та незначні для крівлі пласта-колектора та його підошви звичайно даного утворення, котре досліджується 3 другого штерферують один з одним, утворюючи складне боку, проникнення сигналу в середовище також відбиття, що тяжко піддається інтерпретації залежить від довжини хвилі, а оскільки загасання Таким чином, сейсмічне (сейсмоакустичне) сигналу на довжині хвилі приблизно постійне, то профілювання в сприятливих умовах при насиченсигнали з більшою довжиною хвилі проникають на ні пласта-колектора газом в вільному стані по "ясбільшу глибину досліджуваних порід, втрачаючи кравій плямі" ДОЗВОЛЯЄ ідентифікувати вуглеводпри цьому інформацію про тонку структуру окреневий поклад, але в більшості випадків з'являютьмих геологічних утворень ся значні ускладнення, для подолання котрих потрібен весь арсенал сучасних геофізичних засобів У зв'язку з цим для дослідження осадочного дослідження та обробки чохла на дні моря до глибин декілька тисяч метрів використовується безперервне сейсмічне профіСлід відзначити, що спосіб сейсмоакустичного лювання з частотою сигналів в інтервалі 5 - 200Гц профілювання при великих частотах зондуємого Для вивчення стратифікації неущільнених морсьсигналу дозволяє виявити в воді бульбашки газу, ких осадків потужністю від одиниць до десятків що виділяються з дна моря, котрі на записі відбиметрів та проведення геологічних досліджень вертого сигналу простежуються у вигляді "хмароподіхніх придонних структур до глибин біля сотень бних" структур Вказане явище обумовлене просметрів частота зондуємих сигналів вказаного споторовим відображенням зондуємого сигналу при собу підвищується до 3,5 - 32кГц При цьому виконадвисокій об'ємній концентрації вільного газу у ристовується термін сейсмоакустичне профілювигляді бульбашок більшого розміру (порядку мівання, а апаратурна модифікація носить назву ліметра) та спостерігаються тільки поблизу ділянакустичного профілографа ки його виходу з порід дна При подальшому ПІДЙОМІ бульбашок до поверхні за рахунок їх розсіюМожливість виявлення вуглеводнів в породах вання в товщі води об'ємна концентрація газу змеморського дна при сейсмоакустичному профілюншується і "хмароподібні" структури зникають ванні обумовлена зниженням швидкості поздовжньої хвилі в по родах-кол е кто pax, поровій простір Все вищенаведене підтверджується дослікотрих насичено газом в вільному стані, а також дженнями, які викладені в роботі [9], де наведені визначеними пружними параметрами гірських порезультати, що отримані з допомогою профіломіра рід, які покривають та підстилають породуз високою розрішаючою спроможністю На профіколектор Акустична контрастність в цьому випадлограмах спостерігаються характерні акустичні ку обумовлює більш високий рівень відбивання відбиття "яскраві плями" від газонасичених осаденергії зондуємого сигналу Для прикладу надамо ків В деяких випадках фіксувалося витікання газу розрахунок коефіцієнту відображення для наступз цих ділянок, що створювало на записах "хмароних порід з певними пружними параметрами швиподібні" структури Водолаз на цьому МІСЦІ спостедкістю поздовжньої хвилі \/рта питомою ЩІЛЬНІСТЮ рігав бульбашки газу, які виділялися з дна Аналогічні результати отримані при дослідженнях в акР ваторії Чорного моря [10] глина Vp = 2,4км/с, р = 2,3г/см З наведеного аналізу випливає, що для визнаводоносний пісок Vp = 2,5км/с, р = 2,3г/см чення газопроявів порід дна моря традиційний газоносний пісок Vp = 2,2км/с, р = 1,8г/см газохімічний метод дослідження шляхом взяття Геологічна структура - глина над водоносним окремих проб в морській воді на газовий склад піском забезпечує коефіцієнт відбиття по напрузі малоприпустимий Оскільки при хімічному аналізі R = 0,02 та по енергії Ег = 0,0004 Глина над газовикористовується зв'язаний (розчинений в воді) носним піском дає R = -0,16, Ег = 0,027 (оскільки газ, котрий під впливом течій мігрує разом з водою хвильовий опір Z1 > Z2, то спостерігається обервід місця виходу з дна на великі відстані, то локатання фази) Як бачимо з наведеного прикладу, лізувати цим методом початковий район газопрояякщо швидкість поздовжньої хвилі в перекриваювів стає неможливим чих породах вища, ніж у породи-колектора, то пеМетод безперервного сейсмічного профілюрепад акустичної жорсткості збільшує амплітуду 57600 8 вання, який беремо за прототип, володіє значною встановлений багатьма дослідженнями реальний перевагою, при сприятливих умовах він дозволяє процес фільтрації газу в морську воду по всій по аномально високому рівню відбитого сигналу, площі порід дна, покриваючих вуглеводневу поякий викликай насиченням пласта-колектора газом клад Підток газу (як і нафти) може чинитися в в вільному стані у вигляді бульбашок, знаходити зв'язаному, розчиненому вигляді Під дією течи вуглеводневі відклади Однак у більшості випадків, вода разом з розчиненими в ній вуглеводнями в силу тих або інших причин (глибини залягання мігрує на великі відстані від міста їх виходу, і оцівідкладів, складнощі геологічних структур, умов нити координати родовищ шляхом взяття окремих розповсюдження акустичної енергії в досліджувапроб на ХІМІЧНИЙ аналіз практично неможливо них пластах і т п ), неможливо однозначно ідентиОднак, одночасно з виходом з порід дна розчинефікувати наявність вуглеводнів Виявлення локаного газу спостерігається фільтрація в воду вільльного виходу вільного газу на дні не дозволяє ного газу у вигляді газових бульбашок Викорисоцінити та окреслити його просторове положення тання вільного газу, знайденого в морській воді, для визначення газопроявів має суттєву перевагу В основу винаходу покладена задача підвиЗа рахунок сили плавучості, яка діє на газові бульщення ефективності визначення газопроявів Вирібашки, вплив течій значно знижується, що дозвошення цієї задачі досягається тим, що визначення ляє навіть в несприятливих умовах фіксувати місгазопроявів в придонних шарах моря шляхом вито їх виходу з припустимою погрішністю явлення газу в вільному стані на досліджуваній ДІЛЯНЦІ морського дна по профілях містить нові Відомий спосіб сейсмоакустичного профілюоперації безперервно вимірюють в воді об'ємну вання дозволяє виявити локальне витікання газоконцентрацію вільного газу з одночасним визнавих бульбашок достатньо великих розмірів за раченням розмірів газових бульбашок і по аномальхунок відбивання високочастотного зондуємого но високій об'ємній концентрації вільного газу з сигналу від водно-газової суміші з надвисокою урахуванням розподілу розмірів бульбашок оконоб'ємною концентрацією вільного газу поблизу турюють перспективний на вуглеводні район ділянки його виходу з дна, які дає дуже характерні ехосигнали Вказані "точечні" джерела відносно Ознаками пропонованого технічного рішення, дослідних ділянок морського шельфу дуже рідкісні, які відрізняються від прототипу, є наступні операщо з одного боку перешкоджає їх пошук, а з другоції го - навіть виявивши локальне джерело виходу безперервно заміряють у воді об'ємну конценвільного газу, прогнозувати наявність покладі з трацію газу в вільному стані, визначеними межами некоректно одночасно визначають розміри газових бульбашок, Згідно З формулою винаходу запропонований спосіб визначення газопроявів в придонних шарах по аномально високій об'ємній концентрації віморя, на ВІДМІННІСТЬ від відомого, базується на льного газу з урахуванням розподілу розмірів бувиявленні безпосередньо в воді вільного газу на льбашок оконтурюють перспективний на вуглевоДОСЛІДНІЙ ДІЛЯНЦІ морського дна, по профілям і дні район полягає в безперервному вимірюванні об'ємної Сутність запропонованого способу полягає в концентрації газу в вільному стані з одночасовим наступному Як вже відмічалося раніше, вуглеводвизначенням розмірів газових бульбашок Ця опеневий поклад за рахунок інтенсивного підтоку вуграція дозволяє отримати характеристики простолеводнів в газообразному стані з покладу в поверрового розподілу вільного газу по об'ємній конценхневі шари характеризується аномально високим трації і розмірам бульбашок на всій ДОСЛІДНІЙ ДІгазопроявлениям Геохімічні дослідження, які проЛЯНЦІ Аналізуючи отриману інформацію, по ановодяться на суші шляхом взяття окремих проб на мально високій концентрації вільного газу з урахугазовий склад з підґрунтового шару, в поровому ванням розподілу розмірів бульбашок просторі котрого присутній вільний газ, або проб з оконтурюють перспективний на вуглеводні район окремих, локальних вододжерел, де газ знахоПри цьому дані по розподілу розмірів бульбашок з диться в зв'язаному, розчиненому вигляді, дозвоурахуванням направлення та величини швидкості ляє з високою достовірністю встановити межі потечи дозволяє в кожний момент вимірювання утокладу Донні осадки морського дна в деяких випачнити місто виходу вільного газу і тим самим уточдках насичені газом у вільному стані у вигляді ганити межі перспективного на вуглеводні району зових бульбашок Однак взяття проб на газовий склад з цих порід в умовах моря є складною техніСлід ВІДМІТИТИ, ЩО просторовий розподіл вільчною задачею З-за високої вартості таких досліного газу і розмірів бульбашок визначаються паджень їх використовування на етапі пошуку родораметрами покладі - об'ємом вуглеводнів, їх тивищ обмежено пом, просторовим положенням, глибиною заляВ теперішній час для знаходження газонасичених порід морського дна найбільш ефективним є спосіб безперервного сейсмічного профілювання, з допомогою якого непрямим шляхом, по відбитку зондуємого сигналу можливо судити про наявність на ДОСЛІДНІЙ ДІЛЯНЦІ вуглеводневої покладі В силу цілого ряду факторів, які визначають умови проходження та відбивання хвильового поля в породах дна, в більшості випадків зробити однозначні висновки з отриманої інформації неможливо В основі запропонованого способу лежить гання, пластовим тиском, температурою та іншими особливостями, а також фізико-механічними характеристиками гірських порід, що покривають поклад В результаті існує принципова можливість по вимірюваним характеристикам з залученням додаткової інформації про склад і будову геологічних структур, що лежать вище покладі, отримати інформацію про сам поклад Можливість практичного використання запропонованого способу підтверджується наступним Як вже відмічалося, мінімальні розміри буль 57600 10 башок, як інформаційного параметру, обмежуютьна фіг 4 - схематично показана конструкція ся вимогами визначення меж ділянки виходу в пристрою розподілу газових бульбашок по їх розводу вільного газу з припустимою погрішністю і мірам методом центрифугування, складають при мінімальних швидкості течи та глина фіг 5 - схематично показана конструкція бині моря величину порядку сорока мікрометрів пристрою розподілу газових бульбашок по їх роз(по радіусу) Верхню межу, по візуальним спостемірам методом векторного складання швидкостей, реженням, складають бульбашки з радіусом пона фіг 6 - схематично показана конструкція гірядку декількох міліметрів дравлічного фільтру, Для оцінки очікуваної при вимірюваннях об'на фіг 7 - схематично показана узагальнена ємної концентрації вільного газу, скористуємося структурна схема апаратного комплексу вимірюданими, наведеними в роботі [9] Згідно розрахунвання об'ємної концентрації і розмірів газових буку середня швидкість просочування метану з дна в льбашок, 2 морську воду складає величину порядку 0,8г/м в на фіг 8 - схематично показана конструкція бурік Оскільки питома ЩІЛЬНІСТЬ метану складає ксуємої платформи з апаратними комплексами З 3 0,72 10 гр/см , то без обліку гідростатичного тисвимірювання об'ємної концентрації та розмірів ку (вимірювання можуть проводитись на глибині газових бульбашок менш, ніж 10 метрів від поверхні моря) об'єм вільЗгідно З формулою винаходу заявленого споного газу, що виділяється з одного квадратного собу безперервно вимірюють в воді об'ємну конметру морського дна, за рік буде дорівнювати центрацію газу в вільному стані з одночасним ви1,11 10 см 3 Один рік складає 31 106 секунд значенням розмірів газових бульбашок Інакше Отже, за одну секунду з одного квадратного метру кажучи, задача зводиться до визначення числа морського дна будуть підніматись газові бульбашбульбашок і їх розмірів в одиничному об'ємі морки з сумарним об'ємом , що дорівнює 0,036 10 ської води Для вимірювання вказаних величин З см 3 При мінімальному радіусі бульбашки R = доцільно в першу чергу використати ВІДОМІ акусти20мкм об'єм дорівнює V = 4 / Зті R = 33,5 10 чні методи та обладнання, можливості якого до9 см 3 Якщо допустити (умова дуже ймовірна), що зволяють вирішити вказану задачу всі бульбашки, що спливають на окремій ДІЛЯНЦІ В процесі розвитку гідролокації була виявлена дна, мають один і той же розмір, то загальна КІЛЬекрануюча дія газових бульбашок на акустичний КІСТЬ бульбашок, що виділяються в секунду з однопромінь Проведені детальні дослідження встаного квадратного метра буде дорівнювати вили наступну закономірність Особливо великий N = 0,036 10 3 /33,5 10 9 = 1075 вплив на поглинання і розсіювання звукових коливань справляють бульбашки, частота власних реДля тих же умов при радіусі бульбашок R = зонансних коливань котрих збігається з частотою ЮОмкм маємо N = 9, а при R = 200мкм - N « 1 звукової хвилі Наведені дані імовірної КІЛЬКОСТІ бульбашок В літературі [11] наведена залежність основані на середньому сумарному значенні об'ємної концентрації вільного газу, що виділяється з дна моря Очевидно, безпосередньо над газовою 2тіа Рв покладдю об'ємна концентрація вільного газу в воді суттєво збільшиться (на порядок та більш) по де TR - резонансна частота відношенню наведеного середнього значення, а як а - радіус бульбашки в метрах, наслідок, збільшиться КІЛЬКІСТЬ газових бульбашок у - відношення питомої теплоємкості для газу і як малих, так і великих розмірів КІЛЬКІСТЬ газових води в залежності від складу газу, від 1 до 1,6 (для бульбашок при профільних вимірюваннях може повітря і води -1,4), бути збільшена за рахунок збільшення об'єму воРд - гідростатичний тиск, ди, перепускаючої в одиницю часу через вимірюрв - питома ЩІЛЬНІСТЬ води, вальну камеру Так, наприклад, якщо платформа, в р - функції, які враховують неадіабатичність що буксує на якій розміщена вимірювальна апараі поверхневий натяг тура, рухається з швидкістю 6 вузлів, раструб приПриймаючи значення ймального каналу має діаметр біля метра, то чисрв= 1,03 103кг/м3, Рд«10 5 (1 +0,1Z)H/M2, ло бульбашок, що потрапили в вимірювальну каде Z у метрах, у = 1,40 та не враховуючи знамеру, збільшиться втри рази чення Ь, р (ці ДВІ поправки в якійсь мірі взаємно Можливість реалізації заявленого способу познищуються), можна отримати спрощений вираз казана на основі нижче наведеного аналізу і опису 3,25(1+ 0,1Z)1/^ 3,25-10 6 (i + 0,1Z)^ технічних засобів, обумовлюючих рішення поставR а[м] ~ a[MkM] леної задачі Наведений матеріал ілюструється графікою, Похибка при використанні спрощеної формули де зображені відносно до основної залежить від радіусів газових бульбашок і в разі збільшення їх значення зменна фіг 1 - структурна схема експериментальної шується Так, наприклад, при а = 2мкм помилка установки для вивчення впливу газових бульбаскладає 8%, при а = 20мкм помилка не перевищує шок на проходження звукових коливань, 5%, у подальшому зростанні радіусів бульбашок на фіг 2 - структурна схема приладу вимірюпомилка складає 2 - 3% вання концентрації газових бульбашок в морській воді, Для оцінки значення резонансних частот в залежності від радіуса газових бульбашок задамося на фіг 3 - структурна схема пристрою з індукїх крайніми значеннями а = 40мкм та а = 2000мкм тивними датчиками для визначення об'ємної кон(2мм) при глибині виміру 20 метрів, що значно ницентрації бульбашок, 11 жче поверхового шару газоутворення Використовуючи розрахункову формулу визначення fr, отримаємо При а = 40мкм f r = 141 кГц а = 2000мкм f r = 2,81 кГц Наведені значення орієнтовно визначають робочий діапазон можливих резонансних частот Як вже відмічалося, коли частота спадаючого на бульбашку звуку збігається або майже збігається з його власною резонансною частотою, відбувається ефективне поглинання і розсіювання звуку Перетин поглинання і розсіювання одинокої бульбашки приблизно в тисячу разів більше його геометричного поперечного перетину, що є причиною високої чутливості акустичного методу Як відмічено у літературі [7], в лабораторних умовах можна впевнено контролювати одиноку газову бульбашку мінімальних розмірів (декілька мілімікрон) Існують аналітичні залежності, що зв'язують значення величини перетину розсіювання і поглинання з розмірами газової бульбашки його резонансної частоти, частоти звукового сигналу і фізичними константами газу та води, що визначають величину постійної згасання 4тіа2 ;(f R /f-i)] 2 +5 : 4тіа 2 (5/5 г ) (fR/ff-11 де as, a e - перетин поглинання і розсіювання, 5 - постійна загасання на фіксованій частоті f (поза резонансом), 5Г - постійна згасання, що пов'язана з розсіюванням та перевипромінюванням на фіксованій частоті f (поза резонансом) При резонансі f—>fr, 5^5 r , 5 r ^5R r , де 5Г - постійна загасання при резонансі Величина 5Г утворюється підсумовуванням постійних загасання, що пов'язані з перевипромінюванням або розсіюванням 5Rr, зсувною в'язкістю 5RV та теплопровідністю 5 Rt 5R = 5R r +5RV + 5Rt, 5R r = K r + aR, де вказані резонансні значення хвильового вектору і розміру бульбашки З одержаних виразів з урахуванням співвідношень ар 5R 5Rr та 8R ,Q Q , Af де Af - інтервал частот, на яких енергія, що поглинається та розсіюється бульбашкою, зменшується ВДВІЧІ в порівнянні з резонансним значенням Озвучуючи об'єм рідини з газовою бульбашкою шляхом використання звукового сигналу змінюваної частоти, можна визначити частоту максимального поглинання і смугу частот половинного поглинання енергії, що дозволяє встановити параметри газової бульбашки Оскільки фізичні константи бульбашки, яка заповнена метаном,відрізняються від бульбашки, заповненої повітрям, по їх величині існує принципова можливість оцінити і 57600 12 газовий склад бульбашки Похибка такої оцінки у науково-технічній літературі не виявлена і потребує додаткових досліджень Більш складним є випадок, коли в одиночному об'ємі води міститься декілька бульбашок і відстань між ними достатньо велика, що виключає ефект взаємодії ( і у д/с^Г або більш жорстка умова і > Я.) Якщо розміри газових бульбашок однакові, то енергія плоскої хвилі, що поглинається кожною бульбашкою, дорівнює Ір а е де Ір - відома інтенсивність звукового поля, а е розраховується по вище зазначеній формулі В припущенні, що в одиниці об'єму знаходиться N резонуючих бульбашок, отримана залежність, що визначала аномалію згасання на одиницю довжини ав = 4,34ае N[flБ/довжина], де а е N - перетин розсіювання одиницею об'єму (всі величини у цьому вираженні мають розмірність у одиницях довжини [ае] = М2, [N] = М3, [а в ] = дБ/м Якщо розміри бульбашок різні, необхідно встановити в одиночному об'ємі концентрацію бульбашок з близькими розмірами, наприклад, в інтервалі а - a+da Оскільки концентрація залежить від приросту радіусу da, то уводиться величина N бульбашок з радіусами а і da / \,/ \ N бульбашок з радіусами а і da п(а Да) = —— о'бєм Звичайно da покладають рівним 1 мкм Перетин ослаблення на одиницю об'єму S e [M 2 3 / М ] = М 1 для звуку, що поширюється у середовищі, обчислюється із а е шляхом інтегрування 1 / \, 747ia 2 (5/5 r )-n(a)da Se = Jae-n(a)da=J \ ^ 0 0 [ ( f r / f f - i f +52 Інтеграл може бути обчислений приблизно графічними або чисельними методами з урахуванням того, що головний внесок до результату дають бульбашки з розмірами, близькими до резонансних Вираження для згасання звуку, обумовленого бульбашками з радіусами в заданому інтервалі, має вигляд ав = 4,34SedE/M В роботі [11] описана експериментальна установка для вивчення впливу газових бульбашок на проходження звукових коливань Структурна схема установки приведена на фіг1, де зображено акустичний перетворювач 1, відбивач 2, озвучувана область 3, комутатор 4, підсилювач 5, аналогоцифровий перетворювач 6, блок виміру 7, реєстратор 8, блок управління 9, генератор змінної частоти 10, формувач зондуючих сигналів 11, підсилювач потужності 12 При цьому акустичний перетворювач 1 через комутатор 4 і підсилювач 5 з'єднаний з аналого-цифровим перетворювачем 6 Вихід останнього з'єднаний з блоком виміру 7, який, в свою чергу, з'єднаний з реєстратором 8 і блоком управління Вихід блоку управління 9 одночасно підключений на управляючі входи генератора змінної частоти 10, формувача зондуючих сигналів 11 і комутатора 4 Вихід генератора змінної частоти 10 через формувач зондуючих сигналів 11 з'єднаний з підсилювачем потужності 12, а 14 13 57600 останній через комутатор 4 підключений до акусприйому, с = 2TIFI И 2TIF о тичного перетворювача 1 Таким чином, газова бульбашка в області пеКонструкція установки мала габаритні розміри рехрещення пучків розсіює звукову енергію частот в декілька метрів і передбачала вільний доступ Fi і Fj і "генерує" (нелінійно розсіює) коливання води в область, яка озвучується Використовувавчастоти f = Fi - Fj з ефективністю, що залежить від ся метод відбитих хвиль Акустичний перетворюблизькості резонансної частоти до вибраного знавач 1, працюючий в режимі випромінювання - причення різницевої частоти f Рівень сигналу змінної йому, збуджував прямокутний імпульс, початкова частоти, генерованого бульбашкою, що знахочастота заповнення котрого визначалась заданим диться в зоні перехрещення акустичних пучків наалгоритмом з блоку вимірювання 7 при допомозі качування, при умові f и fr і амплітудах накачуван5 блоку управління 9 Напроти акустичного перетвоня 10 Па приблизно на порядок перевищує рівень рювача 1, на протилежній СТІНІ встановлений відшумів бивач 2 Після збуджування акустичного сигналу в Пристрій, що реалізує описаний спосіб, склаозвучуваній області 3 акустичний перетворювач 1 дається із забортного пристрою, що спускається комутатором 4 перемикався в режим прийому на тросі, і зв'язаного з ним кабелем бортового реТому що коефіцієнти відбиття перетворювача і єстратора На фіг 2 приведена структурна схема відбивача були близькі до одиниці, після випроміприладу вимірювання концентрації газових бульнювання спостерігалися багатократні відбивання башок в морській воді, де показані задаючий геакустичних сигналів з експоненціальної оточуючої нератор 13, генератори накачування 14, 15, 16, Сигнали від комутатора 4 надходять до підсилювипромінювачі 17, 18, 19, приймачі 20, 21, підсивача 5, а потім на аналогово-цифровий перетволювачі 22, 23, 24, 25, детектор 26,стробуючий прирювач 6, після котрого інформація в цифровому стрій 27, суматор 28, вимірювальні канали 29, ЗО, вигляді подається в блок вимірювання 7 У вказа31, 32, реєстратор 33 Робоча зона пристрою фоному блоці здійснюються виміри двох параметрів рмується трьома випромінювачами 17, 18, 19 діазначення експоненти оточуючої амплітуди ПОСЛІметром Зсм кожний, створюють акустичне поле, ДОВНОСТІ відбитих імпульсів і рівень реверберації, накачування частот Fi < F2 Fj > fp бульбашка газу в рідині випромінює ультразвукову хвилю різницеВ експериментах з використанням цього привої частоти fp = Fi - Fj Амплітуда тиску в випромістрою порівнювались рівні розсіювання сигналів з нюваній бульбашкою акустичній сферичній хвилі частотами Fi, F2, F3 з рівнями нелінійно розсіюварізницевої частоти f при умові Fi - Fj « Fi, Fj опиних сигналів з частотами fi, f2, h « Fi, F2, F3 При сується виразом концентрації бульбашок з резонансними частотаР® = PIPJ / (2г aRPBco2[(co2 R /Q2 -1) 2 + (1 / Q Q ) 2 ] 1/2 ), ми нижче 200кГц використовувалась частота накачування Fi, F2, F3 = 1000, 1070, 1200кГц, а для реде Pi, PJ - амплітуди тиску акустичних полів Fi, зонансних частот вище 200кГц - Fi, F2, F3 = 1960, Fj ВІДПОВІДНО, aR - радіус бульбашки, що має ре2300, 2500кГц Відстань від кожного випромінювазонансну частоту coR = 27iFr, Q = 2тгї = 2TI(FI - Fj), ча до робочої зони складала 20см, а в другому різницева частота, рв - ЩІЛЬНІСТЬ рідини, S Q = 1 / 30см Відстань від робочої зони до прийомних гідQQ - декремент загасання сигналу різницевої часрофонів рівнялась ВІДПОВІДНО 15 і 20см Виміри тоти на бульбашці (зворотна величина добротноспроводились з дрейфуючого судна Швидкість ті бульбашки), г - відстань від бульбашки до точки 16 15 57600 протікання води через робочу зону визначалась ня цієї величини само по собі не грає ролі, а важодночасно двома способами - по тривалості відгуливим є, той факт, що ємність подвійного шару ку від одиночної бульбашки при проходженні через залежить від солоності середовища поверхні елейого зони перехрещення пучків і за допомогою ктродів, температури, сили і частоти змінного гідрологічної вертушки, що була розміщена поблиструму, що пропускається і т д Іншими словами, зу приладу Точність виміру швидкості протікання змінюється в широких межах Як буде вказано ниводи через робочу зону складала 25%, що і визнажче, зміна опору, що викликана появою у воді бучило, врешті-решт, точність отриманих даних льбашок, складає менше одного відсотка 3 цієї причини використання кондуктивних пускоутворюДля розрахунку використовувались приведені вачів для визначення об'ємного змісту газу у морвище залежності Повний коефіцієнт об'ємного ській воді видається неможливим Більш доцільно розсіювання визначався по трохи модифікованій для цієї мети використовувати індуктивний переформулі творювач [13], який представляє собою два торої3 S = 3TIQ — a R-n(R) дальних магнітопроводи з обмотками, що вміщені v ; З один в одного Обидва магнітопроводи розділені де n(R) - функція розподілу концентрації бульелектричним екраном Індуктивний перетворювач башок за їх розмірами, Q - добротність Добротпоміщується в воду Один із магнітопроводів (внуність визначалась по експериментальним даним трішній) вважається збуджуючим і на його обмотку порівнянням відгуків однієї й тієї ж бульбашки, що подається змінний струм заданої частоти і ампліопромінювалась трьома парами пучків накачувантуди, а другий - вимірювальний, з його обмоток ня знімається інформаційний сигнал у вигляді змінної Підсумовуючи, можна ВІДМІТИТИ, ЩО описаний ЗДС, амплітуда якої залежить від провідності воприлад є, по суті, практичною реалізацією акустиди Суть його роботи полягає утому, що вода, яка чного методу виміру параметрів газових бульбазнаходиться як в середині, так і зовні магнітопрошок Разом з цим він володіє суттєвими недолікаводів, може розглядатися як коротко замкнутий ми - низькою продуктивністю, що не дозволяє вивиток, що має комплексний опір користовувати його для профільних вимірювань Еквівалентний опір витка ZB = V(1 + j Неможливо не ВІДМІТИТИ і технічну складність при0,9со7іцСваіГі) / loo, ладу в цілому де V - потенціал подвійного шару, Jco - значенРозглядаючи бульбашки газу в рідині як двоня повного струму, Jco и TIVTIGB / 2а-і, [J - магнітна фазне середовище з визначеними фізичними папроникність осердя, GB - провідність води (середнє раметрами, необхідно оцінити можливість їх викозначення має величина GB = 4см/м), а1 - відстань ристання для вирішення поставленої задачі - вивід осі до центру внутрішнього магнітопроводу, мірювання параметрів бульбашок для описаної конструкції його значення рівняється Перш за все треба ВІДМІТИТИ значну різницю 1,5см, гі - відстань від осі до внутрішнього обвибульбашок газу і морської води по питомому елеквання, дорівнює 1см тричному опору При середніх значеннях темпераПри вказаних значеннях реактивний опір (при тури солоності питомий електричний опір морської частоті порядку 1 кГц) складає значення порядку "чистої" води складає ув = 0,25Ом метр 10 5 Ом і, отже, такою величиною можна зневажиПитомий опір бульбашок, коли увесь одиничти ний об'єм займає газ (однофазне середовище) В результаті отримується простий вираз, що можна прийняти рівним рп = °° Очевидно, що при описує опір еквівалентного витка через провідність наявності бульбашок газу середнє значення опору води і геометричні параметри аі і п морської води, що вимірюється з допомогою конZ B «2ai/(7iG B ri 2 ), дуктивного перетворювача, двох електродів, що при значеннях а-і, п и GB ЙОГО величина скларозташовані в рідині на фіксованій відстані, повидає zB = 23,9 Ом Описаний перетворювач вперше нно показати збільшення опору в порівнянні з "чивикористовується для визначення солоності Грастою" водою Для якісної оцінки можливості виконична похибка індуктивних перетворювачів такого ристання кондуктивних перетворювачів приймемо типу складає величину порядку 0,01% відстань між електродами = 5см = 5 10 м Площа В літературі [13] приведені дані по викориселектродів S = 1см2 = 10 4 м 2 танню індуктивного перетворювача для визначенВимірюваний опір буде рівний ня концентрації пінно-бульбашкових утворювань в ув -І R -125 0м приповерхневих шарах моря Метод оснований на різниці питомої електричної провідності води і буОднак при цьому методі вимірювань виникає льбашкової фази складність при контакті металевого електроду з Питома електрична провідність двофазного водою з'являється подвійний електричний шар, що середовища (сумарна провідність) визначається приводить до суттєвої зміни вимірювальної схеми виразом Зона контакту еквівалентна ємності, величина якої z складає 15 20мкф/кв см 3 цієї причини вимірю+0,5G B -Gn вання на постійному струмі практично неможливе і A = 0,25[(3Nn-1) G n +(3N B -1)G B ], виникає необхідність заживлювати електроди де GB - питома електрична провідність води змінним струмом в діапазоні частот 1 ЮкГц При G n - питома електрична провідність бульбашкової частоті 1 кГц і вказаній ємності контактної зони, фази, N n - відносна об'ємна концентрація бульбаємнісний опір двох електродів складає 16 20 Ом, шкової фази в двофазному середовищі, NB - відщо складає 12 16% від вимірного опору Значенносна об'ємна концентрація води в двофазному 17 57600 18 тора пропорційна діелектричній проникності, то на середовищі таку ж величину змінюється і ємність Чутливість При відомому (контролюючому) значенні пиємнісних методів дозволяє виміряти вказану велитомої провідності води GB вимірювання G s забезчину з високою точністю Однак виникають трудпечує можливість визначення Nn, оскільки N n + NB нощі, що пов'язані з конструкцією ємнісного датчи= 1 G n « GB З урахуванням вказаних залежностей ка, що використовується для цієї ЦІЛІ Оскільки G z « 0,5(2 -3Nn) G B відстань між обкладенням повинна бути порядку остаточно 10мм (при меншій величині канал буде засмічуватися), то величина ємності складає приблизно декілька десятків пікофарад і при вимірах потребуНайбільша дозволяюча спроможність визнається використати більш високі частоти чення при досягнутих технічних можливостях індуВ морській воді при ЗМІНІ поляризації виникктивних перетворювачів складає величину поряднуть суттєві втрати енергії На еквівалентній схемі ку 0,02% заміщення конденсатора в цьому випадку з'явитьПристрій для визначення об'ємної концентрася опір втрати, що з'єднаний паралельно ємності ції бульбашкової фази базується на використанні Оскільки величина втрати залежить від солоності, двох раніше описаних індуктивних перетворюваЩІЛЬНОСТІ, температури і інших факторів, що важко чів, один з яких установлюється в каналі, через контролюються в процесі виміру, то виникає необкотрий проходить двофазне середовище (бульбахідність, як і при використанні індуктивного датчишки з водою), а другий канал, де протікає "чиста" ка, застосувати диференційну схему, що складавода, бульбашки вбираються з допомогою гідравється з двох ємнісних датчиків, один з яких всталічного фільтру новлюється в каналі, де протікає "чиста" вода (газові бульбашки завчасно відфільтровані) Цей каНа фіг 3 приведена структурна схема принал використовується для виключення впливу строю з індуктивними датчиками для визначення діелектричних втрат об'ємної концентрації бульбашок, де показані генератор змінної напруги 34, індуктивні перетворюЄмнісний метод виміру концентрації газових вачі 35, 36, детектори 37, 38, операційний блок 39 бульбашок, мабуть, по чутливості не поступається Генератор змінної напруги збуджує два індуктивраніше описаному індуктивному методу, а по проних перетворювача 35, 36 Напруга з двох вимірюстоті конструкції самого датчика має деяку перевавальних обмоток вказаних перетворювачів після гу Для остаточного судження про перевагу того детектування на детекторах 37, 38, подається в або іншого датчика потребується більш глибоке операційний блок 39, де діється визначення по пророблення даного питання з проведенням ексвищевказаному алгоритму периментальних досліджень Другий параметр - діелектрична проникність, Приведений теоретичний аналіз і опис практиконтрастність якої для води і газу, що заповнює чно реалізованого експериментального пристрою і 2 5 бульбашку, дуже значима На частотах 10 10 Гц установок підтверджують можливість визначення і середніх значеннях температури і солоності для акустичним методом об'ємної концентрації у воді води складає Е « 80, для повітря Е « 1, для метану газових бульбашок та їх розмірів Однак, зважаюЕ и 1 Як бачимо, різниця діелектричної проникночи той факт, що розміри бульбашок змінюються в сті для повітря та метану практично відсутня і з широкому інтервалі величин, послідовний аналіз цієї причини не може бути використана як інфорпри акустичному методі, що визначається шляхом маційний параметр Щодо питання води, то поява зміни частоти зондуючого сигналу в діапазоні в ній газових бульбашок може привести до зміни 2,81 141 кГц, не забезпечує потрібної швидкодії, діелектричної проникності, достатньої для виміру що потрібна для неперервного виміру параметрів об'ємної концентрації газу По суті, це ємнісний газових бульбашок в реальному масштабі часу метод виміру неелектричних величин, що базуєть(при профільних вимірах) Паралельна робота ся на вимірі діелектричної проникності контролюдекількох перетворювачів виключається із-за неючого об'єму Умови визначення об'ємної концентперервного виміру параметрів газових бульбашок рації бульбашок характеризуються тім, що об'єм в реальному масштабі часу (при профільних вимібульбашок з діелектричною проникністю Е и 1 в рах) Паралельна робота декількох перетворюваодиночному об'ємі значно менше об'єму води з чів виключається із-за різкого збільшення взаємдіелектричною проникністю Е и 80 Відносна об'них завад, особливо при реєстрації розсіюваного ємна концентрація бульбашкової фази в двофазполя, збудженого бульбашками газу ному середовищі визначається виразом Ємнісний І індуктивний методи по суті не дозволяють оцінити розміри газових бульбашок і N п = ^ - « 1 визначають тільки інтегральне значення їх об'ємn vB ної концентрації Тоді відносна зміна діелектричної проникності Таким чином, для використання вказаних мебуде визначатися залежністю тодів необхідно забезпечити попередній простоEj _ 2 Е В + 1 - 2 М П ( Е В - 1 ) ровий розподіл бульбашок по їх розмірам і тим самим розділити весь початковий інтервал виміру Ев 2 Е В + 1 + М П (Е В -1) на декілька більш вузьких з фіксованими значенДля орієнтування оцінюємо відносну зміну дінями розмірів Аналізуючи різні фізичні принципи 3 електричної проникності N n = 1 10 Використорозподілу бульбашок по їх розмірам, слід ВІДМІТИТИ вуючи приведену залежність, знайдемо, що реМОЖЛИВІСТЬ використання центрифугування В полі зультуюча діелектрична проникність зменшиться відцентрованих сил, по причині того, що рп « рв на величину 1,5 10 3 Оскільки ємність конденса 20 19 57600 бульбашки газу, рухаючись по ЛІНІЯМ ПОСТІЙНОГО що процес виміру діється в певних інтервалах рівня потенційної енергії виходять на вісь оберрозмірів бульбашок, внаслідок чого вимагання до тання [14] Рівняння руху бульбашок в полі відценшвидкодії апаратури виміру і аналізу параметрів трованих сил, має вид газових бульбашок знижуються Очевидним недо2 2 ліком такого пристрою є поява тимчасових "вікон", d х 4л • т| • а dx 4тісо а р в •x = 0 m = m r в яких інформація відсутня Втрату інформації мо3m ~dt dt m жна зменшити, використовуючи декілька аналогічmr них пристроїв, що працюють по черзі де X - відстань від бульбашок до осі обертанПри використанні гідродинамічного центрифуня, t - час руху бульбашки, т| - динамічний коефіцігування принципово можливо отримати непереєнт в'язкості, а - радіус бульбашки, с - кутова швио рвне розділення газових бульбашок по їх розмірам дкість обертання центрифуги, рв - питома ЩІЛЬі, отже, здійснити неперервний процес виміру, одНІСТЬ рідини, m - динамічна маса бульбашки, т п г нак, технічна реалізація такого пристрою суттєво маса паро-газової суміші, т 0 - приєднана маса ускладнюється бульбашки Можливий і другий шлях рішення поставленої Рішення вказаного рівняння приводить до назадачі Для розділення газових бульбашок по їх ступних результатів При с = 1200об/хвил для о розмірам існує можливість використати при фіксобульбашок радіусом а = ЮООмкм, а = Юмкм і а = ваному значенні швидкості гідродинамічного пото1мкм час виходу бульбашок на вісь обертання ку різницю в траєкторії їх руху Як вже відмічалося, рівняється 0,18с, 21,9с і 43,8хвил ВІДПОВІДНО на бульбашку діє дві сили, гідродинамічна сила Очевидно, що, якщо обмежитися часом виходу на потоку і архімедова сила (сила плавучості), що вісь обертання бульбашок самих більших розмірів, спрямована вертикально вгору, и величина пропото в просторові між стінкою центрифуги і її віссю рційна розміру газової бульбашки При ПОСТІЙНІЙ розподіляються бульбашки всіх останніх розмірів ШВИДКОСТІ та горизонтальному напрямку гідродиПри цьому зі зменшуванням розмірів бульбашки намічного потоку векторне складання швидкості його змішування від початкового положення до осі гідродинамічного потоку і вертикальної швидкості обертання буде ВІДПОВІДНО меншим підйому бульбашки визначає траєкторію руху бульбашки фіксованого розміру На фіг 4 схематично показана конструкція пристрою розділення газових бульбашок по їх На фіг 5 схематично показана конструкція розмірам методом центрифугування, де зображепристрою розділення газових бульбашок по їх ні вхідний і вихідний канали 40, 41, опускний і вирозмірам методом векторного складання швидкопускний клапани 42, 43, центрифуга 44, вимірювачі стей (приведений перетин у вертикальній плоскопараметрів бульбашок 45, 46, 47, 48 Робота присті), де зображені строю здійснюється наступним чином На першому вхідний і вихідний канали 40, 41, етапі діється заповнення центрифуги дослідною вимірювальні канали 49, 50, 51, 52, 53, рідиною шляхом відкриття опускного та випускного канали збросу 54, 55, 56, клапанів 42, 43 (при буксирові пристрою на заданій розділові перегородки 57, 58, 59, глибині) ділянки виміру 60, 61, 62, 63, 64 Разом з рідиною в об'ємі центрифуги попадаДля орієнтовної оцінки габаритних розмірів ють газові бульбашки Потім одночасно діється вказаного пристрою використовуються ВИХІДНІ дазакриття опускного та випускного клапанів 42, 43 і ні швидкість гідродинамічного потоку Vr = включається центрифуга 0,5м/сек Можна стверджувати, що в початковий момент Весь діапазон можливих значень розмірів бубульбашки різних розмірів розподілені в об'ємі льбашок розбивається на п'ять піддіапазонів (вкарівномірно Після центрифугування станеться прозані розміри бульбашок і швидкість їх підйому) сторовий розподіл бульбашок по їх розмірам І - а > 1650мкм Vn > 400мм/сек Найбільш великі з них із всього об'єму центрифуги II - а < 1650мкм Vn 825мкм Vn > 200мм/сек бульбашок 45, що розташоване ближче всього до III - а < 825мкм Vn 412мкм Vn > ЮОмм/сек займуть відповідне просторове положення під виIV- а < 412мкм Vn 116мкм Vn > 40мм/сек більш дрібні з них виявляться під вимірником паV - а < 11 бмкм V 41 мкм V > 10мм/сек башок надмалих розмірів залишаться на ділянках Можна припустити, що в початковий момент вимірників бульбашок 45, 46, 47, оскільки змішучасу в потоці води бульбашки різних розмірів розвання бульбашок за час роботи центрифуги виподілені рівномірно по всієї плоскості перетину явиться менше розмірів самих ділянок Вплив вхідного каналу 40 При масштабі рисунка 1кл = надмалих бульбашок несуттєвий Вимір здійсню100мм, відстань між початком вхідного каналу 40 ється частково в межах заданого інтервалу розміта задньою стінкою вимірювального каналу 49 рів, а вказані бульбашки не попадають ні в один із складає 2 метра, при швидкості гідродинамічного них Центрифуга виключається Після виміру опуспотоку Vr = 0,5м/сек пройде чотири секунди, перкний та випускний канали 42, 43 відкриваються, ше, чим рідина, що потрапила на межу вхідного здійснюють скидання рідини і повторне заповненканалу досягне вимірювального каналу 49, а бульня центрифуги (заміщення рідини) Потім цикл башка із розмірами а = 1650мм і Vr = 400мм/сек із повторюється Перевагою такого пристрою є те, нижнього кута вхідного каналу 40 за цей час усу 22 21 57600 неться вертикально нагору на відстань 4 х 400мм відзначалося, на газову бульбашку діють дві осно= 1600мм і досягне входу вимірювального каналу вні сили пдродшамична, викликана прямуванням 49 Його траєкторія прямування показана на марідини, і сила Архимеда Оскільки прямування булюнку стрілкою Ясно, що у вимірювальний канал льбашки обумовлюється рівнодіючій, рівній сумі 49 потрапляють усі бульбашки з розмірами а цих сил, то конструкція фільтра забезпечує в де>1650км І частина бульбашок із розмірами а 825мкм Vn > перетворювачі 68 (індуктивні або ЄМНІСНІ) У обла200мм/сек, що потрапляють у вимірювальний касті з'єднання похилої секції і вертикального каналу нал 50 При цьому через вимірювальний канал 50 для бульбашок визначеного розміру, а значить і будуть проходити всі бульбашки з розмірами а 825мкм, а також невеличка частина забезпечується переваження останньої над пдробульбашок із розмірами а 412мкм Vn > ЮОмм/сек і а < 825мкм, вимірювальних перетворювачів 68 здійснюється Vn 116мкм, Vn > 40мм/сек люється з таких розумінь Будемо вважати, що в і а < 412мкм, Vn аі зазначене перевищення розмірами а < 116мкм, V FrSma (з урахуванням Мінімальний розмір бульбашок, використовуFn ~ а), де Fn - сила плавучості (архимедова сила) ваний при вимірах, а = 41мкм, Vn = Юмм/сек Бубульбашки, Fr - пдродінамична сила, що діє на льбашки з меншими розмірами будуть складати бульбашку по напрямку прямування рідини, а> постійне фонове значення, що може використовукут нахилу, похилих секцій стосовно підстави Сиватися для калібрування апаратури Скидні канали ла Fr визначається ВІДПОВІДНО ДО закону Стокса 54, 55, 56, як уже відзначалося, служать для проFr = бтітіаУвідн пускання у вихідний канал 41 бульбашок малих де ті - динамічна в'язкість, vBiflH - швидкість розмірів, а розділювальні перегородки 57, 58, 59 прямування води щодо бульбашки Тому що швизабезпечують влучення бульбашок визначених дкість потоку в подовжньому каналі приблизно та розмірів у необхідний вимірювальний канал На сама, то складова пдродшамичної сили, ортогонаділянках виміри 60, 61, 62, 63, 64 відбувається льній силі Fn в основі першого вертикального кавизначення параметрів газових бульбашок в інналу 67 Fn, у точці М буде визначатися кутом натервалах зазначених розмірів При цьому слід захилу ои значити, сумарний перетин усіх вимірювальних Кут он першої похилої секції найбільший, отже, каналів і каналів скидання дорівнює перетину вхізначення складової Fr ортогональної Fn буде так дного і вихідного каналів Цим забезпечується само найбільшим Внаслідок чого в перший вертисталість швидкості пдропотока усередині прикальний канал потраплять самі значні бульбашки з строю Таким чином, приведений аналіз показує, радіусами а > аі що технічна реалізація пристрою поділу бульбаКут аг другої похилої секції 66, менший ніж он, шок по їхніх розмірах методом векторного додаотже, і складова FrSina2, ортогональна Fn у точці вання швидкостей можлива і здійсненна без особМ1 виявиться меншою, ніж аналогічна складова в ливих трудностей точці М и, отже, усі бульбашки (ак>а2 ак а-і, NB - відносна об'ємна концентрація води в 2-х фазному середовищі Оскільки повітряна фаза бульбашок з розмірами а > аі повинна іти з першого вертикального каналу 67 в навколишнє середовище через перетин S 2 то з урахуванням умов нерозривності отримаємо S 2 = Kn Si VT Cosai[V2(Kn -1)], де V2 - швидкість руху через перетин S2, котра в граничному випадку дорівнює конвективній швидкості бульбашки, але може й перевищувати 24 алгоритми, можливо визначити геометричні розміри другої нахиленої секції 66 і другого вертикального каналу 67 (SQ, S7, Ss) і ,як наслідок, і послідуючих нахилених секцій та вертикальних каналів На закінчення слід ВІДМІТИТИ, ЩО розділ газових бульбашок з використуванням фільтрів має суттєву перевагу перед методом векторного складання швидкостей - як і в останньому забезпечується проведення безперервних профільних вимірів, одночасово з цим збільшується швидкість буксіровки та продуктивність ДОСЛІДІВ, суттєво зменшуються габаритні розміри пристрою розділу Остання перевага є і недоліком вказаного методу розподілу газових бульбашок, оскільки перешкоджає використування акустичних способів для вимірювання їх параметрів 3 другого боку обмежений діаметр вертикальних каналів гідравлічного фільтру дозволяє ефективно використати для вимірювання об'ємній концентрації газових бульбашок ЄМНІСНІ та індуктивні датчики На підставі вищевикладеного можна зробити наступні висновки Для вимірювання об'ємній концентрації в воді вільного газу і розмірів бульбашок можливо використування акустичного методу Його ГІДНІСТЬ - висока точність вимірювання параметрів газових бульбашок Недоліки - технічна складність апаратури, збільшені габаритні розміри, складність обслуговування, висока вартість, мала швидкість буксировки Враховуючи можливість проведення прецизійних вимірів параметрів газових бульбашок при використуванні акустичної апаратури, и можна рекомендувати (в обмеженій КІЛЬКОСТІ екземплярів) для розробки методичних рекомендацій пропонуємого способу воі бульбашки максимального розміру (із а > а-і) З раніше наведених залежностей можливо отримати більш точні умови для вибору Si Апаратура, яка заснована на використуванні індуктивних (ємнісних) датчиків, для вимірювання об'ємної концентрації вільного газу і гідравлічних фільтрів для розподілу бульбашок по їх розмірам технічно простіше акустичної, має менші габаритні розміри, більшу швидкість буксировки та значно меншу вартість Можна припустити, що при припустимій похибки вимірювання параметрів газових бульбашок, така апаратура знайде широке використання при проведенні геохімічних і геофізичних досліджень на морі Закінчуючи аналіз методів та технічних засобів для реалізації запропонованого способу, опишемо узагальнений варіант апаратури, її склад, компановку та практичне використування На фіг 7 показана узагальнена структурна схема апаратурного комплексу вимірювання об'ємної концентрації і розмірів газових бульбашок з допоміжним обладнанням (позиція 69), де показні вхідний канал 40, датчик швидкості пдропотоку 70, датчик гідростатичного тиску 71, набір кераміч-них фільтрів 72, електропневмоклапан 73, балон стиснутого газу 74, пристрій розділу бульбашок по розмірам 75, блок вимірювальних датчиків 76, ВИХІДНІ канал 41, апаратурний блок 77, електрична ЛІНІЯ зв'язку 78, судовий вимірювальний блок 79 7lRe 2 T! 2 ^ о . Snmax - V 2 ( K n + 1 ) >ь —Ъ Ъ Ъ— -\ > —тр—Г77^ K рв 2 -Vy •Cos 2 a 1 n -VjCosa! Оскільки S5 = S3, то використовуючи вказані На фіг 8 схематично показана конструкція буксуємої платформи з апаратурними комплексами вимірювання об'ємній концентрації і розмірів газових бульбашок 69, де зображені буксуєма платфо VKOH, 3-ЗЭ ТОГО, Щ О НЭД ВИХОДОМ ВерТИКЭЛЬНОГО каналу навколишнє середовище рухається зі швидкістю VT » VKOH З іншого боку ^2 ^ ^n max ДЄ S n max - ПЛОЩЭ ПОПЄрЄЧНОГО П е р е т и н у ГЭЗО 26 25 57600 рма 80, кермо глибини 81, курсовій стабілізатор на і фіксованого положення рулів глибини 81 82, стабілізатор глибини 83, апаратурний контейЗменшення рискання платформи за курсом забезнер 84, два апаратурних ромпекса вимірювання печується курсовим стабілізатором 82, а по глибиоб'ємної концентрації та розмірів газових бульбані - стабілізаторами глибини 83 шок 69, електрична ЛІНІЯ зв'язку 78, буксирний Для зниження впливу на результат вимірів витрос 85 падкових локальних підвищень числа бульбашок (для підвищення надійності вимірів) на платформі, Робота апаратурного комплексу для виміру що буксирується, встановлені два апаратурних об'ємної концентрації і розмірів газових бульбашок комплекси виміру параметрів газових бульбашок (фіг 7) відбувається наступним чином Потік води, 69, усунутих по фронті щодо один одного на базощо набігає, разом із газовими бульбашками через ву відстань порядку декількох метрів Електрична вхідний канал 40 потрапляє в пристрій поділу буЛІНІЯ зв'язку (кабель) 78 підвішена до буксирного льбашок по розмірах 75, що виконане по одній з троса 85 раніше описаних схем, фіг 4, 5, 6 Відбувається просторовий поділ бульбашок по фіксованих інПодальший розвиток апаратурного комплексу тервалах розмірів Після ЧОГО ВОНИ разом із потовиміру об'ємної концентрації і розмірів газових ком рідини по ізольованих каналах потрапляють у бульбашок буде складатися в створенні додаткоблок вимірювальних датчиків 76 У залежності від вого блока накопичення вільного газу в процесі обраної конструкції пристрою поділу бульбашок по виміру й пристрою, що забезпечує проведення розмірах 75, використовуються ВІДПОВІДНО акустиекспрес-аналізу ХІМІЧНОГО складу газу чні або індуктивні (ЄМНІСНІ) датчики, що разом з На закінчення слід зазначити у прототипі виодною з раніше описаних електронних схем (фіг 1, користовується непрямий метод виявлення віль2, 3), розміщеної в апаратурному контейнері 77, ного газу в придонних прошарках по реакції відбиперетворять інформацію про параметри газових того сигналу при звуковому зондуванні порід дна бульбашок в електричний сигнал Останній через Запропонований засіб визначення газопроявів в електричну ЛІНІЮ зв'язку 78 потрапляє на борт у придонних прошарках моря базується на прямому судновий вимірювальний блок 79, куди одночасно методі виявлення вільного газу безпосередньо у надходять сигнали від датчика швидкості пдроповоді шляхом безупинного виміру його об'ємної тока 70, установленого на вхідному каналі 40 і даконцентрації на досліджуваній ДІЛЯНЦІ морського тчика гідростатичного тиску 71 У судновому вимідна У цьому і полягає його перевага Крім того, рювальному блоці по раніше описаних алгоритмах безупинний вимір по профілях об'ємної концентвідбувається опрацювання отриманої інформації, рації вільного газу у воді, з одночасним визначену результаті якої визначається значення об'ємної ням розмірів бульбашок дозволяє одержати просконцентрації вільного газу в морській воді і розміри торові характеристики газопроявів на досліджувагазових бульбашок Варто додати, поточна інфорній ДІЛЯНЦІ морського дна і тим самим визначити мація, що надходить у судновий вимірювальний межу перспективного на вуглеводні району блок 79, прив'язана до координат і часу шляхом Тому що просторовий розподіл вільного газу і сполучення її з бортовою навігаційною системою розмірів бульбашок визначається параметрами Всі дані надходять у блок пам'яті, де здійснюється покладу - обсягом вуглеводнів, їхнім типом, полотривале збереження інформації Це дозволяє роженням і глибиною їхнього залягання, шаровим бити багатокілометрові профільні виміри, на підтиском, температурою й іншими чинниками, а таставі яких при наступному опрацюванні виділякож фізико-механічними характеристиками гірсьються зони з аномальною газопроявою, а, отже, і ких порід, що покривають поклад, то існує принцивизначаються ділянки ймовірного перебування пова можливість по обмірюваних характеристиках, вуглеводнів із притягненням додаткової інформації про склад і будівлю геологічних структур, що лежать вище Для періодичного калібрування апаратури випокладу, одержати інформацію про самий поклад користовується калібратор, що складається з набору керамічних фільтрів із фіксованими розміраЗапропонований засіб може використовуватими отворів 72, установленими у вхідному каналі ся як самостійно, так і в комплексі з іншими геофі40, до яких через електропневмоклапан 73 від зичними і геодинамічними методами, зокрема з балона стиснутого повітря 74, підводиться стиснубезупинним сейсмічним профілюванням (обидва те повітря По команді оператора, із суднового методи добре зв'зуються), з огляду на, що в тому вимірювального блока 79 відчиняється електрота в іншому застосовується профільний характер пневмоклапан 73 і бульбашки фіксованих розмірів, досліджень Очевидно, отримана інформація при із поверхні керамічних фільтрів 72 потрапляють у такому комплексуванні підвищить надійність ревхідний клапан 40 Тому що параметри бульбашок зультатів інтепретацм матеріалів заздалегідь ВІДОМІ, те результати виміру дають Технічна реалізація запропонованого засобу, можливість проконтролювати несправність апараяк показано на прикладах пристроїв і устаткувантури (калібрування здійснюється на ділянках дна з ня, не викликає сумнівів мінімально-фоновою газопроявою) Джерела інформації, використовувані при виАпаратурний комплекс виміру об'ємної концеявленні винаходу й упорядкуванні його опису нтрації і розмірів газових бульбашок установлений 1 Д Л Петровский, М Н Введенская, А А Барковна платформі, що буксирується (фіг 8) За допомоский "Ефективність застосування геофізичних мегою буксирного троса 85 здійснюється буксирувантодів при прогнозуванні газоносності розрізу в півня платформи Для утримання платформи на занічно-західній частині Бильчеволицької зони Предданій глибині використовується динамічна система карпатського прогину" Сб Геофізичні дослідження стабілізації прямування за рахунок швидкості суднефтегазоносних товщ України 3 "Наукова дум 28 27 57600 ка", Київ, 1984р, ст 122-131 9 Стефанон А "Акустичні характеристики газона2 Авторське посвідчення СРСР №1631484 GOIV копичених осадків у ПІВНІЧНІЙ частині Адріатичного 9/00 Опубліковано в 1991 р моря", "Акустика дна океану" за редакцією Ч Купермана і Ф Енсена Москва, Світ 1984р , ст 59 3 Авторське посвідчення СРСР №1716468 GOIV 64 9/00 Опубліковано в 1992р 4 Boulegue I, Liyama T, Charboy I L, Lebwab I, 10 Шнюков Е Ф , Митин Л И , Клещенко С А , ГриNankai Trough, lapan Trench and Kuril Trench, гор'єв А В "Зона акустичних анамалій у Чорному Geochemistry of Fluids Sampled by Submersible морі поблизу Севастополя" Геологічний журнал "Nautile" II Earth Planet Sci Lett 1987 V 83 P 363 1993 №4 ст 62-67 375 11 К Клей, Г Медвин "Акустична океанографія" 5 Mtsumoto R Vuggu Carbonate Grust by З Світ, Москва 1980р ст 195 - 233, 491 - 505 Hydrocarbon Seepage on Continental Shels of Bafsin 12 С И Муцкшин, Д А Селивановский, А Ю СоIsland, Northeast Canada II Geochem I 1990 V 24 колов "Акустичні методи діагностики внутрішніх P143-158 хвиль і газових бульбашок у морі" Сб Проблеми акустики океану Из Наука, Москва, 1984р ст 1706 Іванов M В , Полікарпов Г Г , Леин А Ю "БІОХІМІЯ 175 циклу вуглецю в районі метанових газопроявів Чорного моря" ДОПОВІДІ АН СРСР 1991р т 320 13 И Ф Степанюк "Океанологічні вимірювальні №5, стор 1235-1240 перетворювачі" Гідрометеоиздат, Ленінград, 1986р ст 101 -125 7 Е Скучик "Основи акустики", том 2 Вид іноземної літератури, Москва, 1959р ст 378-388 14 Ю К Волков, В К Макаров, С Г Супрун "О змі8 Р Шерифф, Л Гелдарт "Сейсморозвідка", "Бесту вільного повітря у воді" Сб Акустика й ультразупинне сейсмічне профілювання" (прототип), том звукова техніка Вид Техніка, Київ 1976р ст 19 1 ст 256 - 361, том 2, ст 260 - 265 3 Світ, 1987р 23 45 46 43 40 Фіг З і 29 57600 Фіг 8 Комп'ютерна верстка Е Гапоненко Підписано до друку 05 07 2003 Тираж39 прим Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, Львівська площа, 8, м Київ, МСП, 04655, Україна ТОВ "Міжнародний науковий комітет", вул Артема, 77, м Київ, 04050, Україна