1. Дистанційна акустична діагностика газовіддачі з морського дна.

Проводяться інтенсивні мультидисциплінарні дослідження процесів активної дегазації морського дна і газогідратних відкладень в донних осіданнях морів і океанів, включаючи акваторію Чорного моря. Їх актуальність обумовлена необхідністю пошуку нових (в т.ч. нетрадиційних) вуглеводневих енергоресурсів, вивчення екологічних наслідків газового розвантаження дна і її місцеутворюючої ролі.

Відомо, що газовиділяючі джерела (сіпи) широко поширені на тихоокеанському шельфі США, в Мексиканській затоці, в Каспійському морі, в Чорному,  Баренцовому, Охотському морях і в інших нафто- і газоносних районах. Вони є одним з механізмів насичення метаном морської води і роблять істотний вплив на морські екосистеми [1,2]. У прибережних і шельфових зонах інтенсивні сипи забезпечують “бульбашковий” транспорт (парникового) газу метану безпосередньо в атмосферу. З іншого боку, встановлена пряма кореляція (у глобальному масштабі) між кількістю метанових сипів і вуглеводневими ресурсами в окремих продуктивних провінціях [3]. Газовиділяючі джерела часто приурочені до перспективних родовищ нафти і газу і є однією з пошукових ознак останніх

Найбільш адекватним підходом до вивчення активних газовиділень з морського дна являється використання методів і засобів дистанційного акустичного зондування, що дозволяє проводити оперативний моніторинг великих акваторій з борту судна [4-7]. Ця розробка є результатом цільових досліджень останнього десятиліття по розвитку таких методів в ІРЕ НАН України.

Методологія, гідроакустичне устаткування і обробка даних

Методологія акустичної діагностики проявів дегазації дна основана на:

• ефектах лінійної і нелінійної взаємодії звукових хвиль з газовмісними об’єктами і визначення їх параметрів за характеристиками обернено- розсіяних сигналів на несучій і комбінаційних частотах;
• використанні акустичних систем з розщепленим променем для коректної оцінки перерізів розсіяння поодиноких бульбашок, сили об’ємного розсіяння і координат ізольованих (малорозмірних) газових струменів з використанням даних виміру фазових кутів на мішень.

Технологія дослідження  активної газовіддачі морського дна передбачає комплексування взаємодоповнюючих  методів і засобів виявлення природних сипів (багатопроменевий ехолот), дистанційної діагностики газовиділень (багаточастотні акустичні системи зворотнього розсіяння) і профілізації морського дна (акустичний профілограф донних відкладень). Багатоканальний гідроакустичний комплекс (МГК), що реалізовує методологію, був розроблений на базі  гідроакустичних систем (ГАСНУВ) НДС “Київ” та ІРЕ НАН України. Окрім ГАС, гідроакустичний комплекс включає: комплект гідрофонів для прийому сигналів на комбінаційних частотах, цифрову систему збору і обробки даних, облаштування синтезу частотно-модульованих сигналів, і GPS- приймач. НЧ-канал МГК використовується  для дослідження газовиділень і для акустичної профілізації донних опадів.

Технічні характеристики МГК

Центральні частоти спектра	3,2 кГц (НЧ-канал),
зондуючих сигналів	16, 25, 38, 75 и 120 кГц (ВЧ-канали)
Зондуючі сигнали	тонально-імпульсні, бігармонічні і ЛЧМ (для НЧ-каналу
Пікова потужність в імпульсі	1…20 кВт (НЧ-канал), 1…4 кВт (ВЧ-канали)
Кутова ширина променю по рівню -3 дБ	10о (розщеплений промінь для каналів 3,2 і 38 кГц)
Дозвіл по глибині	0,1 – 5 м
Глибина підповерхневого	10-100 м (тонально-імпульсні сигнали)
зондування донних опадів	60-300 м (ЛЧМ-сигнали)

Програмне забезпечення МГК дозволяє здійснювати:

• управління роботою комплексу;
• попередню обробку оберненорозсіяних сигналів (включаючи погоджену фільтрацію прийнятих модульованих сигналів) в реальному часі;
• формування акустичних зображень (ехограм) і їх візуалізацію в чорно-білій або кольоровій палітрах;
• побудова кальки маневрування судна і визначення місця розташування сипів за допомогою супутникових навігаційних систем з подальшою корекцією координат малорозмірних струменів на їх положення в звуковому промені за даними ехолотів з розщепленим променем;
• визначенні абсолютних рівнів ехосигналів, розрахунки сили об’ємного розсіяння для лінійного і нелінійного режимів виміру, а також сили мети поодиноких газових викидів, їх розміри, швидкість спливання і швидкість розчинення з використанням методики траєкторних вимірів і ехолотів з розщепленим променем;
• кількісні оцінки продуктивності джерел і потоків газу від дна.

Математичні моделі для інтерпретації результатів вимірів:

• лінійного і нелінійного зворотнього розсіяння звуку в газових факелах [8-10];
• динаміки бульбашок газу і процесів їх газообміну з навколишньою рідиною [11,12];
• рішення зворотніх завдань розсіяння звуку [12].

Натурні акустичні спостереження газовиділяючих джерел

Акустичні спостереження природних газовиділень з морського дна за допомогою МГК були проведені в північно-східній частині і на великих територіях північно-західного шельфу і континентального схилу Чорного моря в 4-х рейсах НДС “Київ”  (листопад 1995, червень 1997 р.) та НДС “професор Водяницький” (липень 2001, липень 2004). Метою вимірів була апробація розробленої технології і її складових частин. Під час експедицій були виявлені і досліджені більш ніж 400 джерел газовиділення. Нижче наводяться деякі результати цих досліджень, що ілюструють можливості акустичних методів і засобів. У цьому контексті прояву активної дегазації дна згадуються (слідуючи [4]) як газові факели (ГФ), із-за подібності їх акустичних зображень (ехограм) факелам полум’я.

Рисунки 1.1-1.3 демонструють приклади ГФ на північно-західному шельфі, перегині континентального схилу і на прикерченському континентальному схилі Чорного моря. Потужний факел на зовнішньому шельфі утворений близько розташованими газовими струменями, які досягають морської поверхні з емісією метану безпосередньо в атмосферу (рис. 1.1). У газових факелах на перегині континентального схилу добре видно дискретна структура газовиділень. (рис.1.2); поодинокі спливаючі пухирі добре дозволяються ВЧ-каналами МГК при зондуванні короткими імпульсами (тривалість імпульсу 0.3-0.5 мс) і відображаються на ехограмах у вигляді похилих  траєкторій – треків.

Рис. 1.1 – Ехограма газових факелів на північно-західному шельфі Чорного моря

(ВЧ-канал 38 кГц)

Рисунок 1.3 ілюструє факел на континентальному схилі поблизу межі стійкості газогідратів метану в Чорному морі. Факел заввишки 560 м,розташований на піднятті морського дна (антиклінальний перегин), а його вершина досягає межі сірчановодневої зони.

Рис. 1.2 – Ехограма групи факелів на перегині континентального схилу	Рис. 1.3 – Ехограма факела на північно-східному континентальному схилі

Результати НЧ зондування морського дна показують, що ГФ в цьому регіоні, як правило, приурочені до розривних порушень порід, що складають верхні горизонти опадів.  Рис. 1.4 демонструє профіль донних відкладень на континентальному схилі. На ехограмі  простежується тонка шарувата структура донних  відкладень, сучасні тектонічні порушення з емісією газів і  зсувні явища на схилі. Ехограма на рис. 1.5 ілюструє геологічну структуру втиснутої синкліналі з газовим факелом над кільцевим розривом опадів у верхній частині схилу.

Подальша цифрова обробка эхосигналів від газових бульбашок і їх скупчень в ГФ дозволяє визначати розподіл бульбашок за розміром, залежність швидкості підйому бульбашок від їх еквівалентного радіусу і потоки метану від морського дна.

Рис. 1.4 – Акустичний профіль донних відкладень на континентальному схилі (НЧ-канал, ЛЧМ – зондування)	Рис. 1.5 – Акустичний профіль втиснутої синкліналі на перегині континентального схилу (НЧ-канал, тонально-імпульсне зондування)

Розміри бульбашок і їх швидкість спливання  визначаються шляхом прямих вимірів акустичного перерізу розсіяння поодиноких газових викидів і глибини їх знаходження залежно від часу спостереження з використанням ГАСНУВ з розщепленим променем і методики траєкторних вимірів [5,12]. Розміри бульбашок розраховуються із співвідношення між перерізом зворотного розсіяння, звуковою частотою, глибиною і еквівалентним радіусом бульбашки r з урахуванням несферичності великих пухирів.

Рис. 1.6 – Гістограма розподілу бульбашок по розмірах і функція, що апроксимує її.	Рис. 1.7 – Залежність швидкості підйому бульбашки від радіусу: ○, ●- акустичні виміри в придонному шарі і у водній товщі відповідно; 1 і 2 – апроксимуючі криві для “чистих” бульбашок в дистильованій воді ([13] і [14]); 3 – у водопровідній воді [15]; 4 – для “брудних” бульбашок [14]

Рис. 1.6 і 1.7 показують результати таких оцінок для газовиділень в районах палеодельт Дніпра і Каланчака (ПраДніпра). Згідно з отриманими даними, еквівалентні радіуси бульбашок для цих газовиділяючих полів змінюються від 0,4 на 7.6 мм з найбільш вірогідним значенням 1-3 мм, а розподіли бульбашок по розмірах задовільно апроксимуються логнормальним законом і гамма – розподілом.

Розкид швидкостей спливання бульбашок газу істотно перевищує (особливо в інтервалі   0.4-1.5 мм) помилки виміру (0,8 см/c) і обумовлений різною мірою їх “забруднення” сурфактантами, які зменшують швидкість підйому бульбашок в порівнянні з “чистими” бульбашками; вплив ПАВ на динаміку більших пухирів ( > 2,5 мм) є незначним.

Потік метану з морського дна в газовому факелі визначається за даними акустичного зондування із співвідношення:

де – ефективна площа факела,   – концентрація бульбашок в придонному шарі (за даними акустичних вимірів сили зворотного об’ємного розсіяння у факелі і середнього перерізу розсіяння бульбашок), і об’єм і швидкість підйому бульбашок з радіусом ,   -ордината гістограми розподілу бульбашок по розмірах в i- м інтервалі радіусів.

Такі розрахунки з використанням цих польових вимірів в районах палеодельт Дніпра і Каланчака показують, що потоки метану в окремих факелах цього регіону варіюються від 0,03 до 360 хв (SPT).

Ефективність діагностики газовиділень істотно зростає з використанням нелінійних акустичних методів, що дозволяють виділяти бульбашки газу від розсіювачів іншої природи (зоопланктон, нектон, суспензії і так далі) і отримувати незалежні оцінки їх концентрації [5,9]. Можливість спостереження нелінійної реверберації (на подвоєній частоті зондуючого сигналу) і визначення концентрації резонансних бульбашок була показана під час натурних спостережень інтенсивних факелів на зовнішньому шельфі при зондуванні на частотах 3.2 и 38 кГц.

Для оцінки бульбашкового транспорту метану від морського дна в атмосферу газовими факелами необхідно враховувати динаміку і процеси  газообміну бульбашок газу з водним довкіллям при спливанні з використанням математичних моделей, які описують ці процеси. Програмне забезпечення МГК містить програмний модуль для вирішення цієї проблеми на основі моделі [12], яка використовує результати акустичних вимірів розмірів і швидкості підйому бульбашок як вхідні дані. На рис. 1.8 представлені результати таких розрахунків у вигляді залежності відносної долі метану, яка досягає поверхні моря, від початкового діаметру бульбашок і глибини джерела.

Рис. 1.8 – Залежності відносної долі CH4 (у % від початкової кількості), яка досягає атмосфери, від початкового діаметру D і глибини джерела H.

Модельні розрахунки за результатами  спостережень викидів газу в Чорному морі показали, що кількість метану, який досягає атмосфери значно (> 10% від початкового) тільки для неглибоких джерел (глибина

ВИСНОВКИ

1. Дистанційне акустичне зондування є ефективним неруйнівним засобом виявлення та діагностики метанових газовиділень з морського дна і вивчення їх поведінки у водній товщі, що має високу продуктивність збору і обробки даних. Розроблена технологія може значною мірою замінити трудомісткі і дорогі альтернативні методи і засоби теле- і візуального спостереження і прямих відборів проб, в т.ч. з підводних апаратів (MiniRover, “Quest”, “JAGO”, “Mir” та ін.). Використання останніх залишається актуальним для верифікації методології, що розвивається, і постановки реперних вимірів.
2. Розробка дозволяє вирішувати широкий спектр завдань, включаючи пошук і картування джерел газовиділення, вивчення їх геологічної будови, визначення розмірів газових факелів і газовиділяючих полів, оцінки продуктивності джерел і потоків метану від морського дна, а також парціальних часток початкового потоку, що розсіюється у водній товщі і досягає атмосфери.
3. Застосування методів багаточастотного зондування і нелінійної акустики усуває недоліки, властиві широко використовуваним методам одно- та двохчастотного зондування (неоднозначність інверсії акустичних даних в параметри газовиділень, неможливість визначення розмірних спектрів бульбашок в інтенсивних факелах, низька завадозахищеність у присутності розсіювачів іншої природи).
4. Результати польових спостережень підтверджують ефективність використовуваних моделей і технічних рішень, покладених в основу розробки.

Сфери застосування  технології:

морська геологія, океанографія, нафто- газорозвідка, екологічний контроль морського середовища, вивчення впливу процесів дегазації дна морів і океанів на зміну клімату, морські екосистеми, вертикальний транспорт газів, бактерій, опадів, поверхнево-активних і поживних речовин. Розробка може бути використана також в якості взаємодоповнюючого засобу до систем сейсмоакустичного і (чи) електромагнітного зондування морського дна, яке забезпечує  більш високу (< 1 м) роздільну здатність по глибині при вивченні структури верхнього шару опадів і можливість визначення об’ємів активної газовіддачі дна.

Розробники зацікавлені в співпраці по тестуванню, впровадженню технології і модернізації гідроакустичного устаткування, у тому числі з використанням параметричних ГАС.

ПЕРЕЛІК ДЖЕРЕЛ

1. Hovland M. Seabed Pockmarks and Seepage: Impact on Geology, Biology and Marine environment / М. Hovland, A.G. Judd // Springer, New York. – 1988. – 293 p.

2. Егоров В.Н. Современные представления о средообразующей и экологической роли струйных метановых газовыделений со дна Черного моря / В.Н. Егоров, Г.Г. Поликарпов, М.Б Гулин и др // Морской экологический журнал.- T.2,№3.- 2003 – С.5-26.
3. Шнюков Е.Ф. Газовые факелы на дне Черного моря / Е.Ф. Шнюков, А.А.Пасынков, С.А. Клещенко, А.А. Любицкий. и др. / К: “Гнозис” – 1999. -134 с.
4. ЛюбицкийА.А. Гидроакустические исследования явлений активного газовыделения в северо-западной части Черного моря / А.А. Любицкий // Сб. Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон и комплексное использование ресурсов шельфа. – Вып. 9. – 2003. – С.226-240.
5. Ostrovsky I. Methane bubbles in Lake Kinneret: quantification and temporal and spatial heterogeneity / Ostrovsky – Limnol. Oceanogr., 48(3), – 2003 – Р.1030-1036.
6. Medwin H. Fundamentals of acoustical oceanography / H. Medwin, C. Clay – 1998. – Academic Press, New York. – 712 p.
7. Островский Л.А. Нелинейные акустические методы диагностики газовых пузырьков в жидкости / Л.А. Островский, A.M. Сутин // Ультразвуковая диагностика. Горький: ИПФ АН СССР – 1983. – С. 139-150.
8. Любицкий А.А. Гидроакустические исследования явлений активного газовыделения на дне Черного моря / А.А. Любицкий, А.И. Ломейко, Н.Д. Бережная // Отчет ИРЭ НАНУ по НИР “Довкiлля”, кн.2, № госрегистрации 0198U-Харьков – 2000. – 71 С.
9. Ivanov V.A. Modeling of dynamic, gas exchange processes and conditions of acoustic resonance of gas bubbles in gas seeps of the Black Sea / V.A. Ivanov, A.A. Lyubitsky, N.D. Berezhnaya // Int. Conf. Scientific and policy challenges towards an effective management of the marine environment. 13-18 October 2003, Albena, Bulgaria. Abstracts.-p.55.
10. Любицкий А.А. Обратная задача рассеяния звука в интенсивных газовых факелах и модельные оценки пузырькового массопереноса метана по данным акустического зондирования / А.А. Любицкий – Сб. Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон и комплексное использование ресурсов шельфа. – Вып. 13. – 2005. –С. 412-424.
11. Кутателадзе С.С. Анализ подобия в теплофизике Новосибирск : Наука,- 1992. – 280 С.
12. Clift R. Bubbles, drops and particles / R. Clift, J.R. Grace, M.E. Weber – Academic Press – New York – 1998. – Р.380.
13. Haberman W.L. An experimental study of bubbles moving in liquids / W.L. Haberman, R.K. Morton – Proc. Am. Soc. Civ. Eng. – 1954. – №80. – Р.379-427.

1. Macgregor D.S. Relationship between seepage, tectonics and subsurface petroleum reserves, Marine and Petroleum Geology // №10, 1993 – Р.606-619.

1. Artemov Y.G Software support for investigation of natural methane seep by hydroacoustical method, Marine Ecological Journal – №5 – 2005. – Р.57-71. 

2. Установка для прискореної регенерації олії і сорбенту.

Відомо, що однією з головних вимог при експлуатації потужних трансформаторів, являється якість трансформаторної олії. Під час експлуатації трансформатора олія поглинає вологу з атмосфери і його електрична міцність знижується. Для зменшення вмісту вологи в олії його прокачують через резервуар (адсорбер), заповнений сорбентом, таким як цеоліт або силікагель. Після цього сорбент необхідно  замінити, або регенерувати. Існує декілька способів  регенерації сорбенту. У цьому короткому огляді буде розглянуто метод сушіння сорбенту електромагнітним полем (ЕМП) високої частоти (ВЧ).

Существует несколько способов  регенерации адсорбента. В настоящем обзоре будет рассмотрен метод сушки адсорбента электромагнитным полем (ЭМП) высокой частоты (ВЧ).

При сушнні речовин звичайним способом (за допомогою гарячого повітря або електричних нагрівачів) потік енергії усередині гранул протилежен потоку водяної пари (рис. 2.1 А). У разі електромагнітного впливуріву тепло виникає внаслідокпоглинається сорбентом та водою, потік енергії і  потік водяної пари буде рухаються в одному напрямі, і процес сушки буде ефективнішим (рис. 2.1В).

 Рис. 2.1 – Рух потоків теплової енергії і водяної пари усередині гранул сорбенту.

Важливою проблемою при сушці ЕМП є створення однорідного поля усередині адсорбера. На рис. 2.2 показаний розподіл потужності в адсорберах різних типів. З рисунків видно, що прийнятний розподіл потужності можна отримати, використовуючи чотирьох реберний коаксіальний резонатор.

 Рис. 2.2 – Розподіл потужності усередині адсорбера.

На рис. 2. 3 представлена CAD модель цього резонатора. Форма ребер дозволяє якнайкраще погоджувати імпеданс резонатора з вихідним опором генератора..

Рис. 2.3 – CAD модель чотирьохреберного коаксіального резонатора.

Запропонований метод регенерації сорбенту дозволяє збільшити початкову місткість сорбції, продовжити термін служби сорбенту, зменшити час регенерації і загальне споживання енергії.

Технічні характеристики

Режим регенерації олії :

Продуктивність: 1.5 m3/ч;

Вміст вологи: 70 кV;

Наличие примесей:

Мощность нагревателя масла: 30 кВт;

Максимальная общая потребляемая мощность: 35 кВт

Режим регенерации сорбента

Масса цеолита «NaA» в картридже: 40 кг;

Время регенерации: 4-6 ч;

Температура регенерации: 300C (для новых), 180C (для б/у);

Давление воздуха в картридже: – 10 кПа;

Остаточная влажность: 0,4 %;

Мощность СВЧ: до 2 кВт;

Общая потребляемая мощность: 6 кВт;

ВИСНОВКИ.

Застосування представленого устаткування дозволяє:

• збільшити початкову сорбційну місткість нового цеоліту до 15-20%;
• збільшити число циклів використання цеоліту від одиниць до 10 і більше (в порівнянні з методом сушки за допомогою нагрівача або гарячим повітрям);
• зменшити час регенерації сорбенту з 15-20 ч до 4-6 ч (в порівнянні з методом сушки за допомогою нагрівача або гарячим повітрям);
• зменшення загального споживання енергії в 4 рази (для режиму регенерації сорбенту).

Ми зацікавлені в співпраці в наступних напрямах:

• передача технології;.
• автоматизація технологічного процесу.

Фотогалерея

Рис. 2.4 –

Експериментальна установка: 1 – генератор високої частоти; 2 – блок живлення; 3 – конденсатор; 4 – блок управління; 5 – узгоджуючий пристрій; 6 – картрідж для регенерації олії і адсорбенту (адсорбер)

Рис. 2.5 –  Високочастотний генератор і блок живлення (варіант монтажу в стойку).

Рис.2.6 –

Старший науковий співробітник Володимир Горобець та інженер Михайло Головко встановлюють блок генератора ВЧ.

Рис. 2.7 –  Промисловий зразок установки

Промислова установка для регенерації трансформаторної олії працює на схемі з двома картріджами: один картрідж використовується для регенерації трансформаторної олії, другої для регенерації сорбенту. Після регенерації сорбенту в другому картріджі, він може бути використаний в схемі відновлення трансформаторної олії замість першого картріджа.

Автори проекту:

Ківва Фелікс Васильович – професор, зав. відділом;

Горобець Володимир Миколайович – к.ф.-м.н, с.н.с.;

Гончаренко Юрій Вікторович – к.ф.-м.н, с.н.с.;

Зотов Сергій Михайлович – м.н.с,

Коворотний Олексій Леонідович – м.н.с,

Головко Михайло Іванович – гл. инженер отдела;

Говорищев Олександр Іванович – директор Setra LTD.

Література.

1. Equipment for adsorbent regeneration with application of high-power UHF electromagnetic field. 21st International Conference on Electricity Distribution (CIRED-2011), Frankfurt, 6-9 June 2011;
2. Equipment for sorbent regeneration using high power electromagnetic field. Technology and Design of Electrical Equipment, 2005, vol. 59, no 5, pp. 49-51 (in Russian)