海洋天然氣水合物模擬實(shí)驗(yàn)的超聲檢測技術(shù)研究.pdf

1、天然氣水合物又稱可燃冰，它是在一定條件下(合適的溫度、壓力)由水分子和甲烷氣體分子組成的結(jié)晶狀固態(tài)化合物。天然氣水合物廣泛分布在大陸、島嶼的斜坡地帶以及活動和被動大陸邊緣的隆起處、極地大陸架以及海洋和一些內(nèi)陸湖的深水環(huán)境，它的能源總量相當(dāng)于全世界已知能源總儲量的兩倍，它將可能成為21世紀(jì)替代煤、石油、天然氣的新型能源礦產(chǎn)。天然氣水合物可能引起濱岸或海底地質(zhì)災(zāi)害，天然氣水合物的開采不當(dāng)，將會加劇全球氣候變暖趨勢，從而造成環(huán)境災(zāi)害

2、，嚴(yán)重危及人類自身的生存。因此，天然氣水合物模擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)作為天然氣水合物勘察研究的基礎(chǔ)技術(shù)已經(jīng)成為國內(nèi)外研究熱點(diǎn)。常用的檢測天然氣水合物的生成和分解的方法有光學(xué)、聲學(xué)和電學(xué)等。天然氣水合物在純水中的生成和分解可以利用光通率的變化來進(jìn)行判斷，在一定的壓力下降低溫度，水合物大量生成時光通率突然降低，此后慢慢升溫，水合物分解時光通率又突然上升。但是為了模擬海洋天然氣水合物，需采用水、砂、甲烷等混合物，因其不透明性，采用光通率檢測方法

3、就無能為力了?？紤]到在不同介質(zhì)中聲學(xué)參數(shù)的變化，可以采用超聲的方法進(jìn)行檢測。有關(guān)水合物聲學(xué)性質(zhì)方面的研究，也主要是圍繞水合物膠結(jié)沉積物或多孔巖芯的聲學(xué)特征(聲速、衰減)展開的。天然氣水合物在純水中的生成分解過程是一個相變過程，而發(fā)生相變的過程中介質(zhì)可看作懸浮液處理，超聲波在液體中傳播，由于液體介質(zhì)物理性質(zhì)的改變，超聲在液體中傳播的聲速、衰減和頻率等聲學(xué)參數(shù)都將發(fā)生變化?？梢愿鶕?jù)這些參數(shù)的變化來預(yù)測水合物的生成和分解過程。海

4、洋天然氣水合物主要分布在海底沉積物的孔隙中。而海底沉積物可以看作是一種緊密的濕顆粒雙相多孔介質(zhì)?；陔p相多孔介質(zhì)理論，分析和研究在孔隙中天然氣水合物發(fā)生相變過程引起的多孔介質(zhì)物性的變化而導(dǎo)致的聲波傳播的改變，可以找出其中的變化規(guī)律，對于研究沉積物及巖芯中的天然氣水合物具有重要的理論意義和實(shí)際價值。青島海洋地質(zhì)研究所建成了國內(nèi)首個具有多種檢測手段的海洋天然氣水合物模擬實(shí)驗(yàn)室。在國內(nèi)首次使用鈦鋼制作高壓釜用于海洋天然氣水合物模擬實(shí)

5、驗(yàn)研究，并成功研制了光纖自供光攝錄像裝置，提高了實(shí)時觀察釜內(nèi)反應(yīng)的能力，使用光強(qiáng)投射比測試系統(tǒng)確定天然氣水合物的合成與分解，提高了鑒定能力。設(shè)計并研制了天然氣水合物在巖芯中合成和分解的實(shí)驗(yàn)裝置，在國際上首次采用TDR與超聲綜合判斷水合物方法。天然氣水合物超聲檢測系統(tǒng)及專業(yè)軟件，設(shè)計新穎，自動化程度高，能測量天然氣水合物的聲速、波幅和頻率。這些聲學(xué)參數(shù)的變化反映了天然氣水合物的狀態(tài)變化，取得一定效果，滿足了模擬實(shí)驗(yàn)要求。在純水

6、中天然氣水合物發(fā)生相變過程中，聲速和幅度按照一定規(guī)律發(fā)生變化,但是由于系統(tǒng)的溫度影響比較大，所以效果還不十分理想；頻率為112KHz處的頻譜幅值主要和水合物的相變有關(guān)，當(dāng)水合物大量生成時頻譜幅值突然升高，而水合物分解時這個頻譜幅值又突然降低，這是由于接收頻譜中對于水合物的衰減各不相同的結(jié)果，因此可以根據(jù)此頻譜幅值的變化來預(yù)測水合物的形成和分解過程。在沉積物中天然氣水合物發(fā)生相變過程中，聲速的變化比較靈敏，而幅度的變化不明顯，主

7、頻有所漂移，但有一定的滯后性，對應(yīng)水合物的特征頻率為107KHz，這些聲學(xué)參數(shù)的變化基本滿足實(shí)驗(yàn)要求，可以用來預(yù)測水合物的生成和分解過程。在模擬巖芯中天然氣水合物發(fā)生相變過程中，縱波和橫波速度隨著孔隙度的增大而減小;衰減隨著孔隙度的增大而增大，這些結(jié)果表明了實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論結(jié)果基本吻合，并為進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)工作打下了良好的基礎(chǔ)。利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)良好的識辨能力，對在純水中天然氣水合物生成和分解的聲學(xué)參數(shù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，起到較好的效