海洋天然氣水合物模擬實驗的超聲檢測技術(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，它的能源總量相當于全世界已知能源總儲量的兩倍，它將可能成為21世紀替代煤、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，將會加劇全球氣候變暖趨勢，從而造成環(huán)境災(zāi)害

2、，嚴重危及人類自身的生存。因此，天然氣水合物模擬實驗技術(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。常用的檢測天然氣水合物的生成和分解的方法有光學、聲學和電學等。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。考慮到在不同介質(zhì)中聲學參數(shù)的變化，可以采用超聲的方法進行檢測。有關(guān)水合物聲學性質(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驗室。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

5、驗研究，并成功研制了光纖自供光攝錄像裝置，提高了實時觀察釜內(nèi)反應(yīng)的能力，使用光強投射比測試系統(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驗裝置，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，滿足了模擬實驗要求。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，這些聲學參數(shù)的變化基本滿足實驗要求，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)果表明了實驗結(jié)果與理論結(jié)果基本吻合，并為進一步的實驗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參數(shù)實驗數(shù)據(jù)進行處理，起到較好的效