science-review.ru
При проведении на оз. Байкал глубоководных исследований (на глубинах порядка 1400 м), с помощью глубоководных обитаемых аппаратов «МИР», была открыта монолитная достаточно протяженная залежь гидрата метана. Для исследований залежи был применен традиционный подход для геохимических глубоководных исследований, а именно – отбор образцов на морском дне с последующей доставкой на борт судна. При помещении в специальные контейнеры, описанные ниже, образцы оставались неизмененными и в дальнейшем помещались в подходящую среду, в которой можно было проводить измерения и делать анализы на борту исследовательского судна, или позднее, в стационарной лаборатории. На основании выполненных экспериментальных исследований и анализа процессов обмена химическими компонентам через поверхность раздела вода – осадок оз. Байкал, предлагаются подходы к созданию донных гидролого-гидрохимических комплексов (линейки станций) на базе программно-технических средств нового поколения.
Метановые гидраты на озере Байкал
Проводившиеся на дне оз. Байкал исследования залежей гидратов метана, являющихся перспективным углеводородным сырьем, относятся к разряду уникальных экспериментов и проводились с помощью уникальных исследовательских технических средств – глубоководных обитаемых аппаратов. Эти эксперименты позволяют оценить перспективы и возможности развития глубоководных технических средств для разведки, оценки ресурсов залежей газовых гидратов и, в будущем, возможностей их промышленной добычи (рис. 1).
Рис. 1. Наблюдаемые через иллюминатор глубоководного обитаемого аппарата «Мир» монолиты гидрата метана
При проведении научных исследований на борт судна-носителя глубоководного аппарата необходимо было доставлять образцы гидрата метана, которые были обнаружены в предварительных разведочных спусках аппарата и которые манипуляторами аппарата были отломаны от монолитной залежи гидрата метана (рис. 2). Для доставки на поверхность образцов гидрата метана использовались специальные контейнеры. С помощью манипулятора глубоководного аппарата контейнер помещался в местах выхода метановых пузырей со дна озера, а с помощью другого манипулятора заполнялся образцами гидрата метана. После этого контейнер начинали заполнять метановые пузыри, которые при соприкосновении друг с другом не объединялись в один пузырь, а объединялись в твердую гидратную пену, из-за ранее сформировавшейся гидратной оболочки на их поверхности. Контейнер (в стакане контейнера устанавливался термодатчик.), как правило, перед всплытием заполнялся пеной приблизительно наполовину, так что чувствительный элемент термодатчика оказывался внутри гидратной пены. В процессе всплытия происходило расширение газа и, как следствие, происходило вытеснение воды из контейнера. На одном из манипуляторов глубоководного аппарата была установлена видеокамера, которая и регистрировала происходящие внутри контейнера процессы.
Рис. 2. Образец гидрата метана, отломанный от монолита манипулятором глубоководного обитаемого аппарата
Проводившиеся при всплытии измерения параметров внутри контейнеров показали, что в зоне устойчивости гидратов метана и при наличии выделившегося газа в контейнере расширение этого газа способствует значительному охлаждению содержимого контейнера. Как показывают проводившиеся расчеты, оценки и эксперимент, охлаждение возрастает с ростом скорости подъёма контейнера и снижается при уменьшении теплоизоляции контейнера. Таким образом, граница термодинамической устойчивости гидрата метана из-за охлаждения смещается в область меньших давлений, тем самым приближается к условиям поверхности водной среды, что очень важно для доставки на поверхность сохранившихся образцов гидратов метана.
Также объектами изучения являлись, в частности, тепловые эффекты в твёрдой гидратной пене, связанные с её образованием из пузырей метанового газа и ее транспортом. Следует отметить, что на поверхности пузырей происходит образование гидратной оболочки, которая и предотвращает их разрушение при контакте с другими пузырями. Были проведены специальные исследования, связанные с определением, происходит ли в процессе подъема контейнера на поверхность разложение образцов гидрата метана, в случае которого масса газа в контейнере увеличилась бы. Измерения показали сохранение массы газа в контейнере при относительно небольших изменениях температуры, а также свидетельствовали о сохранности гидратных образцов Выполненные экспериментальные исследования показывают, что основой разработки и развития будущих технологий транспорта газовых гидратов с глубоководных месторождений являются возможности управления и регулирования тепловыми процессами при движении на поверхность емкостей с образцами газовых гидратов.
Следует отметить, методы и средства исследований газовых гидратов, изложенные выше, относятся к разряду уникальных. Между тем интенсивно растет интерес к газовым гидратам, которые рассматриваются в качестве перспективного углеводородного сырья. В этой связи следует рассмотреть некоторые подходы и аппаратно-технические средства, для проведения масштабных исследований, разведки, в итоге промышленной добычи газовых гидратов. Подробное содержание описанных выше исследований изложено в [1, 2].
Методы и средства исследований
В настоящее время средства и методы ведения научных наблюдений и исследований в морях, расположенных по окраинам России, особенно это касается регионов с сезонным появлением ледового покрытия, ведет к значительным ограничениям получения экспериментальных данных об объекте исследования. Такую ситуацию предлагается разрешить с помощью разработки современных методик исследований и создания нового поколения технических средств измерений (автономных океанологических станций в виде распределенных сетей и сопутствующего им вспомогательного оборудования). Одним из основных требований является наличие на станциях гидроакустического канала, а также радиоканала для передачи измеренных данных и управления режимом работы станций. Все это позволит проводить долговременный мониторинг исследуемых объектов.
Как упоминалось выше, одним из основных требований является наличие на станциях гидроакустического канала для передачи измеренных данных и управления режимом работы станций. Это связано с тем, что в северных морях высока вероятность неблагоприятных погодных условий, сопровождаемых сильным морским волнением и, как следствие, практически невозможностью уверенной передачи данных измерений через кабель, а также через радиобуй.
Многоцелевые автономные океанологические станции с дистанционным считыванием измеренных данных должны обеспечивать ведение мониторинга океанов и морей, особенно в регионах, где от сезона к сезону проявляется сильное волнение, а также намерзание ледяных корок. Изучение сезонной, синоптической, мезо- и микромасштабной изменчивости водных масс, разработка и использование диагностических и прогностических моделей акваторий морей и океанов с целью активизации хозяйственной деятельности, а именно: ведением разведки, разработки и добычи минеральных ресурсов, сохранением и умножением биоресурсов в комплексе с природоохранной деятельностью, а также развитием инфраструктуры в плане оборонных задач.
Гидролого-гидрохимические комплексы нового поколения предполагают применение высокоразрешающих методов непрерывного гидрофизического и акустического зондирования (профилирования) водной толщи и современных методов геохимического анализа потоков вещества придонного слоя. Необходимо провести модернизацию всех средств измерений, методик пересчета скорости химического обмена через поверхность дна, а также провести совершенствование гидрофизических и гидрохимических измерительных модулей на основе современных микрокомпьютерных технологий. Также выполнить модернизацию алгоритмов микрокомпьютерного управления сетью унифицированных измерительных модулей, а также последовательное совершенствование цифрового гидроакустического канала передачи команд управления и данных измерений. Необходимо провести исследование способов повышения энергетического потенциала автономных комплексов [3–5].
Предложения по разработкам
Предлагается создавать образцы нового поколения автономных донных океанологических станций с использованием гидроакустической телеметрии и энергосберегающих технологий на основе унифицированного ряда измерительных модулей – интеллектуальных датчиков, которые объединяются в единый комплекс.
В многофункциональном комплексе используются отдельные функционально универсальные автономные модули, но назначаемые на выполнение разнородных функций: измерение определенного параметра, выполнение гидроакустической связи, размыкание-замыкание тросовых держателей и т.п. и по командам назначенного управляющего модуля, которым может быть назначен каждый из них. Такие станции могут быть использованы для исследований и прогноза нефтегазоносности и других полезных ископаемых морских шельфов, а также эффективного мониторинга загрязнений акваторий.
Ведущийся мониторинг морей включает в себя изучение целого ряда процессов, таких как массообмен на поверхности раздела «вода – дно», выделение поглощения донными отложениями газов и твердых химических компонентов и многое др. Все эти процессы связаны с формированием месторождений нефти и газа, твердых полезных ископаемых и являются отражением постседиментационных процессов. Необходимо проведение оценок степени антропогенного воздействия на среду.
В этой связи непосредственно на дне следует применять метод донных камер (боксов), позволяющий путем прямых измерений потоков растворенных и газообразных компонентов количественно оценить химический обмен на границе «вода – дно». Боксовые эксперименты, проводимые с помощью донных станций, позволяют решать эту проблему и выполнять расчеты тонких параметров процесса проникновения кислорода в осадок, в частности глубину проникновения, выраженную в миллиметрах и долях миллиметров и отдельные параметры биохимии этого процесса. Данные донных гидрохимических станций являются основой для изучения процессов, ответственных за осадконакопление и биопродуктивность (на начальном этапе фоссилизации органического вещества в осадке, требуется большое количество кислорода, который падает в него через поверхность дна, обедняя придонную воду) акваторий, оценки антропогенного воздействия на среду. Полученные при ведении мониторинга данные позволят применять экономичные схемы численного моделирования процессов, свободные от сложных обратных задач восстановления полей. Все это будет способствовать изучению и прогнозированию процессов синоптической и мезомасштабной изменчивости водных масс, включая положение фронтальных зон, вихрей и линз.
Создание многофункциональных комплексов нового поколения позволит проводить фундаментальные и прикладные исследования, связанные, например, с глобальным циклом углерода, разнообразные экологические исследования, касающиеся захоронений различных загрязняющих компонентов вод (например, радиоактивные загрязнения), так и последующих процессов выхода этих загрязнений из осадка в воду. Разрабатываемое компьютерное моделирование, использование видеокомплексов с применением технологий распознавания образов позволяет эффективно решать вышеперечисленные задачи, а также иные многочисленные задачи прикладных и фундаментальных исследований [6, 7].
Заключение
Практическая значимость предлагаемых методов и технических средств связана, в частности, с потребностями нефтепоисковых работ и нефтегазового комплекса. В этом направлении одной из основных задач являются исследования новых нетрадиционных форм углеводородсодержащего сырья – газовых гидратов. Их запасы в осадках Мирового океана могут превышать все традиционные источники нефтегазового потенциала на суше. Показана необходимость модернизации всех технических средств поиска и исследований газогидратных месторождений, методик пересчета скорости химического обмена через поверхность дна, а также совершенствование многофункциональных гидрофизических и гидрохимических измерительных модулей с применением современных микрокомпьютерных технологий. Предлагаемый к разработкам комплекс технических и методических средств, использующий современные микрокомпьютерные методы обработки и представления получаемых данных непосредственно в процессе измерений, с возможностью коррекции программ проводимых исследований в реальном времени, закладывают основу для развития инновационных способов разведки и добычи подводных газовых гидратов. Эти исследования в перспективе способствуют развитию следующих этапов исследований, а именно, вопросам прокладки трубопроводного транспорта, влияния температурного режима (образование твердой и смешанной за счет примесей, выпадения парафина и т.д.) на процессы транспортировки нефти и газа.
Работа выполнена в рамках государственного задания ИО РАН (тема № 0149-2019-0011) при поддержке РФФИ (проект № 17-05-41041 «РГО-а», и проект № 18-05-60070 «Арктика»).