Estudio sobre los efectos del radio de la burbuja y la fracción de volumen sobre la velocidad de la onda sonora en agua de mar que contiene burbujas

Li Canping (1977-), mujer, profesora, doctorada, dedicada principalmente a la investigación teórica y el procesamiento de señales de la exploración sísmica de ondas dispersas, correo electrónico: canpinglihydx @ 163.com.

Nota: Este artículo fue publicado en el tercer número de "Modern Geology" (2010) y ha sido parcialmente modificado por esta revista.

1. Escuela de Información, Universidad Oceánica de Guangdong, Zhanjiang, Guangdong 524088.

2. Escuela de Geofísica y Tecnología de la Información, Universidad de Geociencias de China, Beijing 100083.

3. Sucursal Noroeste del Instituto de Investigación sobre Exploración y Desarrollo del Petróleo de China, Lanzhou 730020.

Resumen: A través del estudio de la velocidad del sonido del agua de mar que contiene burbujas, se llega a la siguiente conclusión: La relación entre el radio de la burbuja y la profundidad del agua de mar es que a medida que la profundidad del agua de mar se vuelve menos profunda, el radio de la burbuja aumenta gradualmente. La relación entre la velocidad del sonido y el radio de la burbuja es que cuando la fracción de volumen de la burbuja es muy pequeña, a medida que aumenta el radio de la burbuja, la velocidad del sonido primero aumenta gradualmente, luego permanece estable y finalmente disminuye lentamente, y el cambio en la velocidad del sonido es pequeño. ; cuando la fracción de volumen de la burbuja aumenta gradualmente Cuando la fracción de volumen de la burbuja es grande, la velocidad del sonido aumenta con el aumento del radio de la burbuja, y el rango de cambios de velocidad del sonido es diferente para diferentes fracciones de volumen de la burbuja. La relación entre la velocidad del sonido y la fracción de volumen de la burbuja es: cuando la fracción de volumen de la burbuja es pequeña, la fracción de volumen de la burbuja aumenta y la velocidad del sonido disminuye gradualmente; cuando la fracción de volumen de la burbuja es grande y el radio de la burbuja es menor que el radio crítico; la fracción de volumen de la burbuja aumenta y la velocidad del sonido disminuye gradualmente. Cuando el radio de la burbuja es mayor que el radio crítico, la fracción de volumen de la burbuja aumenta, la velocidad del sonido primero disminuye y luego aumenta gradualmente, y el rango de cambios de velocidad del sonido es diferente en diferentes etapas. cuando la fracción de volumen de burbujas aumenta gradualmente.

Palabras clave: radio de burbuja; fracción de volumen de burbuja; hidrato de gas natural; velocidad del sonido

Estudio sobre los efectos del radio de burbuja y la fracción de volumen sobre la velocidad del sonido del agua de mar que contiene burbujas

Li Canping, Liu Xuewei, Yang, He Jing, Lu Liangxin

1 Escuela de Información, Universidad Oceánica de Guangdong, Zhanjiang, Guangdong 524088

2. de Geofísica y Tecnología de la Información, Universidad de Geociencias de China, Beijing 100083

3. Instituto de Investigación de Exploración y Desarrollo del Petróleo de China; Lanzhou 730020, China

Resumen: A través del estudio de la velocidad del sonido del agua de mar que contiene burbujas, se extraen las siguientes conclusiones. La relación entre el radio de la burbuja y la profundidad del agua de mar es que cuanto menos profunda es el agua del mar, mayor es el radio de la burbuja. La relación entre la velocidad del sonido y el radio de la burbuja es: cuando la fracción de volumen de la burbuja es muy pequeña, a medida que aumenta el radio de la burbuja, la velocidad del sonido primero aumenta gradualmente, luego permanece sin cambios y finalmente disminuye lentamente, con un pequeño cambio en la velocidad del sonido. Cuando la fracción de volumen de la burbuja aumenta gradualmente, a medida que aumenta el radio de la burbuja, la velocidad del sonido también aumenta gradualmente, y la amplitud del cambio de velocidad del sonido también es diferente con diferentes fracciones de volumen de la burbuja. La relación entre la velocidad del sonido y la fracción de volumen de las burbujas es: cuando la fracción de volumen de las burbujas es pequeña, a medida que aumenta la fracción de volumen de las burbujas, la velocidad del sonido disminuye gradualmente. Cuando la fracción de volumen de la burbuja es grande y el radio de la burbuja es menor que el radio crítico, a medida que aumenta la fracción de volumen de la burbuja, la velocidad del sonido disminuye gradualmente cuando el radio de la burbuja es mayor que el radio crítico, a medida que aumenta la fracción de volumen de la burbuja, la velocidad del sonido disminuye gradualmente; La velocidad del sonido primero disminuye y luego aumenta gradualmente. Además, el rango de cambios en la velocidad del sonido es diferente en cada estado donde aumenta la fracción de volumen de la burbuja.

Palabras clave: radio de burbuja; fracción de volumen de burbuja; hidrato de gas; agua de mar; velocidad del sonido

0 Introducción

El hidrato de gas natural es una sustancia que se encuentra principalmente. en la tundra y los sedimentos del fondo marino. Los recursos de hidratos de gas natural en la Tierra son enormes, de los cuales la gran mayoría se encuentran en los océanos. Los recursos de hidratos de gas natural en el Mar de China Meridional alcanzan los 67 mil millones de toneladas equivalentes de petróleo [1]. De abril a junio de 2007, se llevaron a cabo perforaciones de hidratos de gas natural en el área de Shenhu, en la vertiente norte del Mar de China Meridional, y se obtuvieron muestras de hidratos de gas [2].

El hidrato de gas natural del fondo marino se desborda hacia el agua de mar en forma de burbujas a través de canales de migración como poros y fracturas. Se han descubierto burbujas que escapan del fondo marino mediante fotografías, vídeos o grabadoras acústicas en muchos lugares del mundo. Eberhard J.Sauter[3] y otros registraron fotografías de burbujas de metano que escapaban de los hidratos del fondo marino en la parte norte del centro del volcán de lodo Hakon Mosby (HMMV) en el borde occidental del mar de Barents. Universidad Texas A&M. En 2002, el Instituto de Perforación Oceánica de la Universidad M utilizó un registrador acústico para detectar la columna de agua de mar de burbujas de metano provenientes del desbordamiento de hidratos del fondo marino [4].

S. García-Gilde et al. [5] descubrieron columnas acústicas y perturbaciones similares a nubes formadas por burbujas en el agua de mar en la zona poco profunda de escape de gas en el fondo marino (la "zona de ebullición" formada por burbujas que escapan de la superficie del agua), y los encontraron en el fondo marino a lo largo del Mar Caspio. Se registraron señales de reflexión en forma de cuentas en zonas poco profundas de escape de gas [6] en estudios de hidratos en el Mar de Okhotsk en el centro de Rusia y China, reflejos de "llamas" de burbujas producidas por Se detectó descomposición de hidratos [7]. Gu Zhaofeng et al. [8] encontraron en el estudio geológico del Mar de China Meridional que los perfiles sísmicos poco profundos registraban una gran cantidad de reflejos en forma de puntos distribuidos en el agua de mar. Las burbujas de aire en el agua dispersan las ondas sísmicas y responden en perfiles sísmicos, y las imágenes de las ondas dispersas pueden detectar columnas en el agua.

La existencia de burbujas en el agua de mar afectará inevitablemente a la velocidad del sonido del agua de mar, que luego responderá al perfil sísmico para detectar hidratos de gas natural. Yao [9] estudió el efecto de las burbujas en la propagación del sonido, dio una expresión para la velocidad del sonido en un medio que contiene burbujas y estudió la relación entre la fracción de volumen de las burbujas y la frecuencia del sonido en la velocidad del sonido, pero no estudió los efectos. de la fracción de volumen de la burbuja y el radio de la burbuja influyen en detalle en la velocidad del sonido. Basado en el modelo de velocidad del agua que contiene burbujas propuesto por Yao, los cambios en la velocidad de propagación de las ondas sonoras en agua de mar que contiene burbujas se analizan en detalle desde dos aspectos: fracción de volumen de las burbujas y radio de las burbujas. Debido a que existen muchos factores que controlan la fuente de hidratos de gas natural, es necesario utilizar indicadores integrales para distinguirlos [10]. Este artículo sienta las bases para futuras investigaciones sobre la fuente de gas del hidrato de gas natural submarino.

1 Velocidad del sonido en agua con burbujas

Los gases disueltos en el líquido y las burbujas generadas durante la cavitación cambiarán la distribución de presiones en el líquido [11], cambiando así las propiedades acústicas del líquido. Yao[9] utilizó la presión del sonido y la velocidad de vibración radial en la pared de la burbuja como condiciones límite para derivar la expresión de la velocidad del sonido en el medio que contiene la burbuja:

Colección especial sobre las reglas de enriquecimiento y la base minera de hidrato de gas natural en el Mar de China Meridional

Donde: cm es la velocidad del sonido de la mezcla gas-líquido, m/s k es el módulo de volumen del líquido, N/m2 es el módulo de volumen del gas; módulo, n/m2; ρ es la densidad del líquido, kg/m3; ρb es la densidad del gas, kg/m3; ω es la frecuencia, Hz a es el radio de la burbuja, m; líquido, N/m2; r es el radio cuando se supone que la zona de mezcla de dos fases que contiene burbujas es esférica, m φ es la fracción de volumen de burbujas, es decir, la fracción de volumen ocupada por burbujas en un área esférica con radio; r. Cuando r es fijo, este parámetro está determinado por el número y tamaño de las burbujas. Al derivar esta fórmula, se ignoran factores secundarios como la conducción de calor y se supone que las burbujas en la zona de mezcla de dos fases que contiene burbujas tienen el mismo radio [9].

En la fórmula (1), k, Kb, ρ, ρb, σ son parámetros fijos, y ω, a, φ, r tienen parámetros variables. Por lo tanto, dados los parámetros anteriores, esta fórmula puede calcular la velocidad del sonido del agua de mar que contiene burbujas con diferentes radios de burbuja y diferentes fracciones de volumen de burbuja.

2 El radio de la burbuja cambia con la profundidad del agua de mar

Cuando las burbujas de hidrato de gas que desbordan del fondo marino se elevan desde el fondo marino, a medida que la presión disminuye, el radio de la burbuja aumentará, es decir, la El radio de la burbuja depende de la profundidad del agua del mar. Zhu [12] dio una fórmula para el cambio del radio de la burbuja con la profundidad al estudiar la ley de dispersión acústica de las estelas de burbujas:

Colección especial sobre la ley de enriquecimiento y la base minera del hidrato de gas natural en el Mar de China Meridional

Esta fórmula supone que no hay intercambio de calor entre la burbuja y el medio circundante e ignora la influencia de la difusión del gas. Según la primera ley de la termodinámica, el valor de PVλ es constante durante el movimiento de la burbuja. Conociendo el radio R0 de la burbuja en la profundidad inicial z0, se puede inferir el radio r a una cierta profundidad z. En la fórmula, densidad del agua de mar p = 1,023 kg/metro cúbico; tensión superficial del agua de mar σ = 0,0738 N/m; g = 9,8 n/m; presión atmosférica de la superficie del mar P0 = 1,0135 × 105 pa;

De acuerdo con la fórmula (2) y sustituyendo los parámetros anteriores, se dan la profundidad inicial (1 350 m) y el tamaño del radio (2,1×10-3m) de la burbuja de desbordamiento del fondo marino, y el radio de la burbuja con Se pueden calcular los cambios en la profundidad del agua de mar, como se muestra en la Figura 1.

La figura 1 muestra la misma regla y teoría, es decir, a medida que la profundidad y la presión del agua de mar disminuyen, el radio de la burbuja aumentará. De acuerdo con esta regla, se puede estudiar más a fondo el efecto del radio de la burbuja sobre la velocidad de la onda sonora en diferentes profundidades del agua de mar.

Figura 1 La relación entre el radio de la burbuja y la profundidad del agua de mar

3 Efecto del radio de la burbuja en la velocidad del sonido del agua de mar

Según la literatura [3], las burbujas escapando del fondo marino profundo El radio de burbuja del hidrato de gas natural varía de 5,0 × 10-4 a 5,0 × 10-3 m. Teniendo en cuenta que todavía hay algunas burbujas pequeñas en la situación real, para estudiar el cambio de la velocidad del sonido del agua de mar cuando existen burbujas más pequeñas, este artículo establece el radio de la burbuja en 5,0×10-. Según la fórmula (1), valores de parámetros dados, K = 2,34× 109N/m2, KB = 1,4× 105N/m2, P = 1,023kg/m3, Pb = 65438. R = 1,0 m, calcule el cambio de velocidad de la onda sonora con diferentes fracciones de volumen de burbujas dentro del radio de 5,0 × 10-5 ~ 5,0 × 10-3 m, como se muestra en la Figura 2.

La relación entre la velocidad de las ondas sonoras y el radio de las burbujas en el agua de mar que contiene burbujas.

Como se puede observar en la Figura 2, dentro del rango del radio de la burbuja de 5,0× 10-5 ~ 5,0× 10-3m, la velocidad del sonido presenta dos modos: uno es cuando la fracción de volumen de la burbuja es muy pequeña , como se muestra en la Figura 2a Como se muestra en yb, a medida que aumenta el radio de la burbuja, la velocidad del sonido aumenta gradualmente, luego permanece estable y finalmente disminuye lentamente. La amplitud del cambio de velocidad del sonido es muy pequeña, solo 2 m/. 2. Cuando la fracción de volumen de la burbuja aumenta gradualmente, como se muestra en la Figura 2c-F, a medida que aumenta el radio de la burbuja, la velocidad del sonido aumenta gradualmente y el rango de cambios de velocidad del sonido es diferente para diferentes fracciones de volumen de la burbuja.

Cuando la fracción de volumen de la burbuja es pequeña, como se muestra en la Figura 2c, a medida que aumenta el radio de la burbuja, la velocidad del sonido aumenta gradualmente, pero la velocidad del sonido no cambia mucho. La amplitud del aumento es de 3 m/s. , y el rango es 186 ~ 189 m/s en la Figura 2d, a medida que aumenta el radio de la burbuja, la velocidad del sonido aumenta gradualmente y la velocidad del sonido cambia mucho, con un rango de aumento de 12 m/s y un rango de cambio de 100 ~ 112 m/s A medida que aumenta la fracción de volumen de la burbuja, como se muestra en la Figura 2e, la fracción de volumen de la burbuja está entre 10% y 40%, y a medida que aumenta el radio de la burbuja, la velocidad del sonido aumenta significativamente, con un valor mayor, como se muestra. en la Figura 2f. A medida que aumenta el radio de la burbuja, la velocidad del sonido aumenta de manera más obvia y con una amplitud mayor. La fracción de volumen de las burbujas varía del 60% al 80%, y el rango es de 40 a 280 m/s, y la fracción de volumen de las burbujas varía del 90% al 100%, y el rango es de 0 a 450 m/s.

Las Figuras 2e-f tienen características comunes: cuando el radio es menor que 2,0×10-3m, la fracción de volumen de la burbuja es grande y la velocidad es pequeña cuando el radio es mayor que 2,0×10-3m; , la fracción de volumen de la burbuja es mayor y la velocidad es mayor. Y el rango de intersección de las dos líneas en la Figura 2f es relativamente más amplio que el de la Figura 2e. Se puede concluir que existe un radio crítico rc, es decir, rc=2.0×10-3m. Cuando la fracción de volumen de la burbuja es grande (más del 5%), cuando el radio de la burbuja es menor que el radio crítico rc, la velocidad del sonido disminuye gradualmente con el aumento de la fracción de volumen de la burbuja cuando el radio de la burbuja es mayor que el radio crítico; rc, la velocidad del sonido disminuye con el volumen de la burbuja aumenta a medida que aumenta la puntuación. Esto se debe a que cuando la fracción de volumen de las burbujas es constante, el número de burbujas disminuirá a medida que aumenta el radio de la burbuja y el impacto sobre la velocidad del sonido del agua de mar disminuirá. Por lo tanto, la velocidad del sonido de la mezcla gas-líquido aumentará a medida que aumenta la velocidad del sonido. aumenta el radio de la burbuja.

4 Efecto de la fracción de volumen de burbujas en la velocidad del sonido del agua de mar

Dado que la fracción de volumen de burbujas analizada varía mucho, desde 0,0005% hasta 100%, la fracción de volumen de burbujas se divide en lo siguiente se utilizan cinco partes para estudiar los cambios en la velocidad de la onda sonora: la primera parte es que la fracción de volumen de la burbuja cambia entre 0,0005% y 0,005%; la segunda parte es que la fracción de volumen de la burbuja cambia entre 0,005% y 0,05%; es que la fracción de volumen de burbujas cambia entre 0,05 % ~ 0,5 % la cuarta parte es la fracción de volumen de burbujas que cambia de 0,5 % a 5 % la quinta parte: la fracción de volumen de burbujas cambia de 1 a 100 %; Estas cinco partes cambian constantemente.

Igual que antes, dado el valor del parámetro en la fórmula (1), dado el radio de la burbuja, seleccione el radio en el rango de 0,005% ~ 0,5% m y calcule la velocidad del sonido del gas-líquido. La mezcla con diferentes fracciones de volumen de burbujas cambia, como se muestra en la Figura 3.

Se puede ver en la Figura 3 que a medida que aumenta la fracción de volumen de la burbuja, la velocidad del sonido de la mezcla gas-líquido forma dos modos cambiantes: primero, cuando la fracción de volumen de la burbuja es inferior al 5%, la la velocidad del sonido tiene un radio de burbuja de 5,0 × En el rango de 10-5 ~ 5,0 × 10-3 m, disminuye gradualmente con el aumento de la fracción de volumen de la burbuja, como se muestra en la Figura 3a-d; es superior al 5%, la velocidad del sonido aumenta con el rango del radio de la burbuja, la fracción de volumen de la burbuja disminuye gradualmente con el aumento cuando el radio de la burbuja es mayor que el radio crítico rc = 2,0 × 10-3 m, a medida que aumenta la fracción de volumen de la burbuja. , la velocidad del sonido primero disminuye y luego aumenta gradualmente, como se muestra en la Figura 3f. En diferentes etapas, cuando la fracción de volumen de la burbuja aumenta gradualmente, la amplitud de la velocidad del sonido disminuye y la amplitud del cambio de velocidad del sonido es diferente. El rendimiento específico es el siguiente:

En la parte 1, el volumen de la burbuja. La fracción varía de 0,0005% a 0,005%, como se muestra en la Figura 3a, a medida que aumenta la fracción de volumen de la burbuja, la velocidad del sonido disminuye linealmente en aproximadamente 350 m/s, oscilando entre 1 100 y 1 450 m/s.

En la segunda parte, la burbuja La fracción de volumen cambia de 0,005% a 0,05%, como se muestra en la Figura 3b. A medida que aumenta la fracción de volumen de la burbuja, la velocidad del sonido disminuye en un arco, con una amplitud mayor de aproximadamente 600 m/s, que oscila entre 500 y 1100 m/s.

En la tercera parte, la fracción de volumen de la burbuja cambia en el rango de 0,05% ~ 0,5%. Como se muestra en la Figura 3c, a medida que aumenta la fracción de volumen de la burbuja, la velocidad del sonido disminuye en un arco, con un. disminución de aproximadamente 300 m/s, el rango de variación es de 200 ~ 500 m/s.

La cuarta parte, la fracción de volumen de la burbuja varía del 0,5% al ​​5%, como se muestra en la Figura 3d. a medida que aumenta la fracción de volumen de la burbuja, la velocidad del sonido disminuye en un arco, con una amplitud menor, aproximadamente 90 m/s, y un rango de 100 ~ 190 m/s.

En la quinta parte, la fracción de volumen de la burbuja cambia del 1% al 100%, como se muestra en la Figura 3e. A medida que la fracción de volumen de la burbuja aumenta, la velocidad del sonido primero disminuye rápidamente y luego disminuye lentamente, con un. disminución de aproximadamente 150 m/s, el rango de variación es 0 ~ 150 m/s como se muestra en la Figura 3f, a medida que aumenta la fracción de volumen de la burbuja, la velocidad del sonido primero disminuye y luego aumenta gradualmente, oscilando entre 100 ~ 450 m/s.

En la Figura 3f, la velocidad primero disminuye y luego aumenta gradualmente durante el cambio de la fracción de volumen de la burbuja, lo que indica que mezclar una pequeña cantidad de gas con agua de mar o mezclar una pequeña cantidad de agua de mar con gas cambiará significativamente la propiedades físicas del medio original [13], sus propiedades físicas como la densidad y la compresibilidad cambiarán, lo que dará como resultado un patrón de cambio en el que la velocidad primero disminuye y luego aumenta.

Relación entre la velocidad de la onda sonora y la fracción de volumen de las burbujas en agua de mar que contiene burbujas.

En la Figura 3a-e, a medida que aumenta la fracción de volumen de la burbuja, la velocidad del sonido en el agua de mar disminuye gradualmente porque la velocidad del sonido en el líquido cambia gradualmente a la velocidad del sonido en el gas.

5 Resumen

1) Cuando las burbujas de hidrato de gas que se desbordan del fondo marino se elevan desde el fondo marino, la relación entre el radio de la burbuja y la profundidad del agua de mar es que a medida que la profundidad del agua de mar se vuelve menos profunda , el radio de la burbuja aumenta gradualmente y el cambio en el radio de la burbuja afectará la velocidad del sonido del agua de mar.

2) La relación entre la velocidad del sonido de la mezcla gas-líquido y el radio de la burbuja y la fracción de volumen de la burbuja es la siguiente:

A. El rango del radio de la burbuja es 5,0 × 10. -5 ~ 5,0× 10-3m. A medida que aumenta el radio de la burbuja, la velocidad del sonido presenta dos modos: primero, cuando la fracción de volumen de la burbuja es pequeña, la velocidad del sonido aumenta gradualmente, luego permanece estable y finalmente disminuye lentamente, con un pequeño cambio en la velocidad del sonido; fracción de volumen de burbujas A medida que aumenta gradualmente, la velocidad del sonido también aumenta gradualmente y el rango de velocidad del sonido cambia con la fracción de volumen de las burbujas.

B. A medida que aumenta la fracción de volumen de la burbuja, la velocidad del sonido forma dos modos de cambio: primero, cuando la fracción de volumen de la burbuja es inferior al 5 %, la velocidad del sonido está dentro del radio de la burbuja de 5,0 × 10-. 5 ~ 5,0× 10-3m El alcance disminuye gradualmente. En segundo lugar, cuando la fracción de volumen de las burbujas es superior al 5%, la velocidad del sonido disminuirá gradualmente dentro del rango del radio de la burbuja de 5,0 × 10-5 ~ 1,0 × 10-3 m, es decir, cuando es menor que el radio crítico rc. =2,0×10-3m; cuando el radio de la burbuja es mayor que el radio crítico rc=2,0×10-3m, la velocidad del sonido primero disminuye y luego aumenta gradualmente. En diferentes etapas, cuando la fracción de volumen de la burbuja aumenta gradualmente, la amplitud de la velocidad del sonido disminuye y la amplitud del cambio de velocidad del sonido es diferente.

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