Приборы и техника эксперимента, 2023, № 3, стр. 151-152

В последнее время появляется все больше работ, посвященных газогидратам метана. Такой повышенный интерес к этой теме обусловлен тремя основными факторами: 1) метан в тепловом балансе Земли играет важную роль, 2) исследователи фиксируют беспрецедентный рост концентрации метана в атмосфере и 3) этот рост связан с ускоряющимся разложением природных газовых гидратов в осадочной толще океана [1, 2]. Для того чтобы понять, что происходит с выбросом метана в настоящее время и может произойти в ближайшем будущем, учеными проводятся крупномасштабные натурные исследования и модельные эксперименты. Актуальным является лабораторное изучение поднятых на поверхность образцов донного грунта с вкраплениями газогидратов метана.

Такие исследования могут быть выполнены на созданном нами лабораторном стенде (рис. 1а), специально предназначенном для исследования образцов гидратосодержащих пород как искусственного, так и естественного происхождения. Основу стенда составляют лазерные источники, скоростная камера, тепловизор и спектрометр комбинационного рассеяния.

Рис. 1.

а − схематическое изображение стенда (1 − образец, 2 – трехкоординатная подвижка, 3 – цифровая камера, 4 – тепловизионная камера, 5 – скоростная камера, 6 – лазерный источник, 7 – КР-спектрометр, 8 – охлаждаемый реактор высокого давления, 9 − управляющий компьютер); б, в − некоторые результаты, полученные при тестировании образца с газогидратами метана: термограмма образца с вкраплениями газогидратов (б), показано изменение температуры на разрезе (по штриховой линии), а также кадры скоростной съемки при лазерном импульсном нагреве образца (в).

Образец 1 для исследования первоначально помещают под микроскоп спектрометра 7 комбинационного рассеяния (КР). При этом он может находиться в охлаждаемом реакторе высокого давления 8 с прозрачным верхним окошком. Под микроскопом изучается структура поверхности и снимается карта спектров КР. По характерным пикам на спектрограммах определяется состав частиц и делается заключение о наличии газогидратов в структуре. На втором этапе образец 1 помещается на столик трехкоординатной подвижки 2. Под визуальным контролем (цифровая камера 3) с помощью тепловизора 4 получают термограммы участка поверхности образца (рис. 1б). Такие наблюдения по характерным областям с пониженной температурой позволяют выявлять газогидратные включения, активно разлагающиеся при нормальных условиях. На третьем этапе проводится изучение взрывоподобного разложения газогидратных вкраплений. Для этого выбранный участок образца нагревают лазерным импульсом, а разлет частиц регистрируют скоростной камерой. Такие эксперименты позволяют получать, помимо информации о содержании газогидратов и поровой влаги, важные для проведения модельных экспериментов прочностные характеристики образца.

В стенде использованы: скоростная камера Fastcam SA-3 (Photron, Япония), тепловизор FLIR A655sc (FLIR, США) с макрообъективом, КР-спектрометр (Nicolet Almega XP, США). Нагрев осуществляется сфокусированным импульсным излучением YAG:Er лазера с длиной волны 2.94 мкм, длительностью импульса 0.5 мс и энергией до 8 Дж. Отметим, что для более полного изучения гидратосодержащих образцов стенд может быть дополнен лазерными источниками с другими параметрами. Кроме того, дополнительные исследования могут быть проведены на стенде для исследования образования и разложения газогидратов [3, 4].