ОКЕАНОЛОГИЯ, 2011, том 51, № 2, с. 376-382
ПРИБОРЫ И МЕТОДЫ ^^^^^^^^^^^^^^ ИССЛЕДОВАНИЯ
УДК 551.46.072:51+532,553.981
ПЕРВЫЙ ОПЫТ ТРАНСПОРТА ГЛУБОКОВОДНЫХ ГИДРАТОВ МЕТАНА
В НЕГЕРМЕТИЧНОМ КОНТЕЙНЕРЕ
© 2011 г. А. В. Егоров1, Н. А. Римский-Корсаков1, А. Н. Рожков1, 2, Е. С. Черняев1
Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН, Москва 2Институт проблем механики им. А.Ю. Ишлинского РАН, Москва e-mail: avegorov@ocean.ru Поступила в редакцию 06.07.2010 г., после доработки 18.10.2010 г.
В ходе экспедиции РАН "Миры на Байкале. 2008—2009" проведены глубоководные эксперименты по транспортировке отобранных образцов гидратов метана со дна озера на борт судна. Для устойчивости газовых гидратов необходимы высокие давления и низкие температуры, а при приближении образца гидрата к поверхности водоёма гидрат интенсивно разлагается на воду и газ метан. Для замедления разложения создан контейнер, в котором образец гидрата находится не в воде, а в газовой среде, в которой теплообмен существенно замедлен. Причем газ для наполнения контейнера поставляется самим гидратом путем его частичного разложения. Для оценки эффективности метода проведены наблюдения за распадом газовых гидратов при их подъеме с глубины 1400 м при различных способах транспортировки: в контейнере с газовой средой, в контейнере с водной средой и при транспортировке образца гидрата в захвате манипулятора подводного аппарата. Только тот образец, который находился в газовой среде, был поднят на борт судна в высокой степени сохранности, в то время как другие полностью разложились в ходе транспортировки. Примечательно, то, что все образцы начали разлагаться одновременно при достижении глубины 380 м.
ВВЕДЕНИЕ
В 2009 г. в экспедиции "Миры на Байкале" при работе на подводном грязевом вулкане "Санкт Петербург", пилотом глубоководного обитаемого аппарата (ГОА) "МИР-2" Е.С.Черняевым обнаружен выход массивного газового гидрата (ГГ) непосредственно на дно [4]. Кусок ГГ размером приблизительно 20 х 15 х 10 см был отломан от монолита с помощью манипулятора. С зажатым в схватах манипулятора куском аппарат стал всплывать с глубины 1400 м. При этом ГГ оставался практически неизменным до глубины порядка 400 м. Затем из куска ГГ стали выделяться газовые пузырьки, сначала небольшие и немногочисленные, а затем все более бурные. Постепенно полупрозрачный кусок стал матово белым. Вместе с газом с краев отрывались небольшие куски ГГ. На глубине около 150 м остатки ГГ выскользнули из манипулятора, распавшись на куски, и бурно выделяя газ исчезли из поля зрения. Таким образом, доставить ГГ для исследования на борт судна обеспечения не удалось.
Известные успешные попытки целенаправленной доставки образцов ГГ с донных месторождений на борт судна с помощью ГОА связаны с использованием сложной техники типа подводных барокамер [7].
Настоящая работа предпринята с целью создания простого и удобного в работе устройства, обеспечивающего доставку значительного количества ГГ со дна водоема на борт судна для дальнейшего исполь-
зования и изучения. Описанию предложенного способа решения задачи посвящена данная статья.
ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
Гидрат метана — твердое льдоподобное вещество, состоящее из молекул метана и воды. Приблизительно на 6 молекул воды приходится одна молекула метана. Устойчивость ГГ обеспечивается стабилизирующим воздействием молекул метана на кристаллическую решетку, образованную молекулами воды за счет сил Ван-дер-Ваальса. ГГ метана устойчивы в условиях низких температур и высоких давлений [5]. Так, например, для Байкала с температурой глубинных вод 3.3°С [3] ГГ устойчивы при давлении порядка 35 атм и больше. Таким образом, на больших глубинах ГГ термодинамически устойчив, а при подъеме на глубину меньше границы фазовой устойчивости разлагается на воду и газ. На борту судна гидрат метана находится в термодинамических условиях далеко за границами фазовой устойчивости, и казалось бы, должен быстро разложиться, однако этого не происходит. В частности, большие куски ГГ, отобранные геологической трубкой [3], довольно долго (более часа) сохраняются на палубе, слегка потрескивая. Однако отломанные куски от такого гидрата, помещенные в воду, бурно разлагаются с выделением газа. Замедление распада ГГ в газовой атмосфере есть проявление эффекта самоконсервации ГГ [6], основанного на том, что при разложении ГГ энергия потребляется и ГГ охлаждается.
Рис. 1. Схема контейнера "Ведро", показана ситуация, когда выделившийся из ГГ метан полностью заполнил внутреннюю емкость контейнера, а излишки газа вытесняются через его нижний край.
При охлаждении ниже 0°С выделяющаяся при разложении вода замерзает, превращаясь в лед, который покрывает всю поверхность ГГ и препятствует выходу метана из твердого ГГ в атмосферу.
ТЕХНИЧЕСКОЕ РЕШЕНИЕ
Эффект самоконсервации ГГ использован для решения поставленной задачи. При подъеме образца ГГ в захвате манипулятора образец омывается наружной водой, температура которой в Байкале довольно низкая — порядка 3.2—3.5°С, но тем не менее положительная. К концу лета лишь тонкий поверхностный слой воды прогревается до 10—12°С. Очевидно, что для уменьшения подвода тепла желательно изолировать ГГ от прямого контакта с проточной водой. Для этой цели предложено поместить ГГ в емкость с открытым дном. Поскольку ГГ по физическим свойствам похож на лед, то ГГ всплывает и располагается в верхней части емкости. Для повышения теплоизоляции хорошо бы поместить ГГ в газовую среду, которая на несколько порядков менее теплопроводна, чем вода. В решении этой задачи нам помогает сам ГГ, который разлагается при подъеме выше глубины границы фазовой устойчивости. Выделяющийся газ вытесняет воду из емкости, при
этом ГГ плавает на поверхности, однако 9/10 его объема находится в воде. В результате, при полном вытеснении воды из емкости большая часть ГГ находится вне емкости и подвергается нагреванию набегающим потоком воды. При этом кусок ГГ может быть вытолкнут потоком из емкости и потерян. Для того чтобы этого не произошло, предложено подставить решетку на пути выхода ГГ из емкости, так чтобы вода могла пройти сквозь решетку, а ГГ остался внутри емкости. Решетка на короткой подставке закрепляется в контейнере для образцов, а емкость с ГГ ставится в контейнер таким образом, что решетка оказывается внутри емкости (рис. 1). И наконец, последнее. Чтобы емкость с ГГ оставалась устойчивой при заполнении ее газом, нижний край емкости пригружен весом, превышающим архимедову силу, действующую на емкость.
Для реализации вышеописанной схемы использовалось перевернутое ведро объемом 12 л, край которого пригружен грузом 13 кг (рис. 1, 2). Груз представлял собой пластиковый шланг, заполненный никелевой дробью. Ко дну ведра приклепана рукоять под схват манипулятора ГОА "МИР". В качестве подставки под ГГ использован перфорированный диск из тонкого алюминия, закрепленный на нож-
Рис. 2. Заполнение контейнера "Ведро" ГГ.
ках в 5 см от дна бункера для образцов. Заполненный ГГ контейнер устанавливается на эту подставку так, чтобы она оказалась внутри (см. рис. 1).
Для оценки степени действенности предложенной схемы дополнительно к контейнеру "Ведро" приготовлен прозрачный контейнер "Бутыль", сделанный из пластиковой бутыли объемом 10 л (рис. 3). У бутыли срезано дно и просверлены небольшие отверстия в крышке для выхода газа, выделяющегося при разложении ГГ. Благодаря отверстиям в крышке газ в бутыли не накапливается, поэтому лишь небольшие грузы суммарным весом около 1 кг прикреплены к нижнему краю емкости для компенсации всплывающей силы ГГ.
Кроме того, в эксперименте использовалась специальная ловушка для метановых пузырей, высачивающихся со дна в местах выхода ГГ на поверхность [1]. Ловушка, далее именуемая "Сетка", представляла собой прозрачную цилиндрическую емкость, разделенную посередине сеткой с ячейкой 1 мм. Сетка предназначалась для улавливания пузырей, которые могли превращаться в гидраты.
ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТА
Подводные работы проводились с участием глубоководных обитаемых аппаратов (ГОА) "Мир". Погружение проводилось 16 июля 2009 г. в точке с координатами 53°052.91 с.ш. и 107°09.92 в.д. в окрестности обнаруженного ранее выхода монолитного ГГ на поверхность подводного грязевого вулкана "Санкт Петербург". Как показано в [2], именно в глубоководных грязевых вулканах имеются благоприятные условия для формирования значительных залежей подводных ГГ.
Для выхода подводного аппарата с необходимой точностью на объект на глубине 1400 м дополнительно к навигации с короткой базой, которой оснащен ГОА "МИР", был установлен еще один акустический маяк-ответчик в точке с координатами постановки подобного маяка в погружение, при котором был впервые обнаружен выход ГГ на дно. Через 20 мин работы на дне всего в 26 м от точки погружения обнажения ГГ были найдены.
Работа по заполнению контейнеров ГГ (рис. 2, 3) оказалось довольно трудной. ГГ представляют собой
£
Груз 1 кг
Рис. 3. Контейнер "Бутыль", заполненный ГГ.
монолитную массу, отломать кусок от которой нелегко. Каждая попытка это сделать приводила к поднятию мути, и требовалось время, чтобы она рассеялась. Придонные течения на Байкале незначительны, поэтому иногда приходилось ждать десятки минут для осаждения взвеси. Это ситуация стимулировала к перемещению в область невзмученной воды в поисках ГГ в окрестностях. В результате чего оказалось, что под тонким слоем осадков практически везде скрыты монолитные ГГ. Загрузка ГГ в контейнеры осложнялась тем, что ГГ легче воды, а налипший на поверхности ГГ ил менял развесовку вокруг центра масс и при попытках помещения куска ГГ в контейнер ГГ мог непредсказуемо развернуться, выскочить из контейнера и уплыть вверх. В результате работа по заполнению контейнеров заняла около 4 часов. Удалось поместить в контейнер "Ведро" и "Бутыль" по несколько обломков монолитного ГГ. Один обломок "потерянного" газогидрата застрял над иллюминаторами под внешней обшивкой. Его удалось зажать в схвате манипулятора по окончанию работ на дне (рис. 4).
Наблюдая за ГГ, зажатым в схвате манипулятора, при движении аппарата ка
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.