Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Круговой детектор концентрации взвешенных капель нефти и твердых частиц в сточных промысловых водах

Специальность 05.11.13 ? "Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий"

Мягченков Алексей Витальевич

Казань 2006

Работа выполнена в Казанском государственном техническом университете им.А.Н. Туполева (КГТУ-КАИ).

Научный руководитель:

д. т. н., профессор Морозов Олег Геннадьевич

Официальные оппоненты:

д. т. н., профессор Ильин Герман Иванович

д. т. н., доцент Фетисов Владимир Станиславович

Ведущая организация (предприятие):

ФГУП НПО "Государственный институт прикладной оптики", г. Казань

Защита состоится на заседании диссертационного совета Д212.079.04 при Казанском государственном техническом университете им.А.Н. Туполева

"29" декабря 2006 г. в ______ в ауд. _______, 5-го учебного здания КГТУ-КАИ по адресу: Казань, ул.К. Маркса, 31/7

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Казанского государственного технического университета им.А.Н. Туполева по адресу: Казань, ул.К. Маркса, 10

Автореферат разослан "___"__________ 2006 г.

Ученый секретарь Диссертационного совета, к. т. н., доцент В.А. Козлов

Общая характеристика работы

Актуальность. Мониторинг качества сточных промысловых вод (СПВ) - побочной продукции нефтяных скважин, как элемент системы контроля и управления эффективностью нефтедобычи, одна из наиболее актуальных областей научно-практических интересов промышленно развитых государств. Наличие достоверной информации о концентрациях взвешенных капель нефти (ВКН) и твердых взвешенных частиц (ТВЧ) в СПВ позволяет оценивать эффективность заводнения нефтяных залежей и риски в случае превышения ими предельно-допустимых значений (ПДЗ), определять стратегию и тактику обработки промысловой воды для получения требуемого качества, судить об эффективности работы очистных сооружений и их рентабельности, принимать своевременно верные решения о начале работ по обработке призабойной зоны пласта и ремонту скважин, производить оценку эффективности применения новых технологий, судить о возможном загрязнении окружающей среды и т.д.

Как процесс создания и совершенствования информационной системы, характеризующей состояние масштабных и локальных изменений концентрации ВКН и ТВЧ в СПВ, тенденции их развития и рекомендации на целенаправленное регулирование в ходе подготовки и очистки, мониторинг качества СПВ требует для своей реализации создания образцов измерительной аппаратуры, совместимой с распространенными системами и средствами компьютерной обработки и хранения информации, в частности АСУ ТП добычи нефти (ДН), пригодных для эксплуатации как в лабораторных условиях, так и в условиях полнопоточных измерений на объектах. При этом необходимо принять во внимание, что создаваемые приборы должны обеспечивать мониторинг качества СПВ, главным образом, за счет автоматизированных измерений концентраций ВКН и ТВЧ с высокой точностью (погрешность измерений - не более 4%), оперативностью (доли секунд) и диапазоном, который должен перекрывать от 0 ("чистая" вода) до 200 мг/л (предельно допустимая концентрация как по ВКН, так и по ТВЧ).

Необходимо отметить, что разработкой измерительной аппаратуры для определения концентрации взвешенных частиц занимаются многие коллективы специалистов, как в нашей стране, так и за рубежом. Значительный объем информации по данной проблеме содержится в трудах В.И. Кленина, С.Я. Френкеля, С.П. Беляева, Н.К. Никифоровой, В.С. Фетисова, D. Deirmendjian, A. Rog-ner и др. Известны и находят применение отечественные и зарубежные приборы, измеряющие концентрацию ТВЧ и ВКН в СПВ: мутномеры СКАТ-1 НПФ АП "ЛЮМЭКС" (г. Санкт-Петербург), АЖН-98/ПК ИЦ "Уралсемикондактор" (г. Екатеринбург), детекторы концентрации фирм "Sigrist Photometer" (Швейцария), "Rosemount Analytical", "GLI International" (США) и др.

Однако анализ результатов, полученных при эксплуатации известных лабораторных и промышленных приборов, показывает, что все они в той, или иной степени не удовлетворяют определенным выше требованиям либо по точности, либо по диапазону, либо по оперативности, либо по возможности автоматизации измерений.

Это объясняется отсутствием решения широкого круга теоретических и практических вопросов, как для процессов измерения концентрации ВКН и ТВЧ в СПВ, так и для процесса преобразования и регистрации полученных результатов. В настоящее время для измерения концентрации ВКН и ТВЧ в СПВ широко используются многоугловые турбидо-нефелометрические детекторы, достоинства которых, однако, нивелируются проблемами измерений в большом числе каналов с различными характеристиками. Не до конца рассмотренными остаются вопросы подбора нефелометрических углов измерений для разделения информации по концентрациям ВКН и ТВЧ при изменении состава СПВ. При этом мало внимания уделяется рефлектометрическим методам, которые, как известно, обладают потенциально большой информационной емкостью и высокими энергетическими характеристиками детектирования. Практически не нашли широкого применения разработанные аппаратные и программные методы минимизации и устранения влияния на результаты измерений загрязнений окон счетного объема, которые, как правило, требуют для реализации несколько фотоприемников и излучателей. Также нерешенными остаются вопросы, связанные с организацией расширенной АСУ ТП ДН, включающей в свой состав дополнительный слой мониторинга качества СПВ, инициализируемый на всех уровнях ее внутренней (от измерительных преобразователей и исполнительных устройств до ЭВМ диспетчера) и внешней иерархий.

Отмеченные выше обстоятельства определяют актуальность разработки принципов построения, методов анализа и синтеза детекторов концентрации ВКН и ТВЧ в СПВ на основе максимально полной оценки рассеивающих свойств исследуемой многокомпонентной среды.

Представляемая диссертационная работа посвящена решению этой проблемы. Тематика и содержание работы соответствуют планам научных исследований, являющихся составной частью Федеральной научно-технической программы "Исследования и разработки высшей школы по приоритетным направлениям развития науки и техники на 2002-2006 годы" и программы "Развитие приоритетных направлений науки в Республике Татарстан на 2001-2005 годы" фонда НИОКР Республики Татарстан, выполняемых в научно-исследо-вательском центре прикладной электродинамики (НИЦ ПРЭ) и на кафедре телевидения и мультимедийных систем (ТМС) Казанского государственного технического университета им.А.Н. Туполева (КГТУ-КАИ).

Цель работы состоит в решении важной научно-технической задачи улучшения метрологических и технико-экономических характеристик детекторов концентрации взвешенных капель нефти и твердых частиц в сточных промысловых водах.

Основная задача научных исследований - разработка принципов построения, методов анализа и синтеза круговых детекторов концентрации на основе измерения полной индикатрисы рассеяния взвешенных капель нефти и твердых частиц в сточных промысловых водах.

Решаемые задачи:

· Анализ характеристик существующей и перспективной измерительной аппаратуры для детектирования концентраций ВКН и ТВЧ в СПВ; выявление резервов для улучшения метрологических и технико-экономических характеристик детекторов концентраций и повышения эффективности мониторинга качества СПВ в целом; определение на этой основе направлений дальнейших научных исследований.

Математическое моделирование рассеяния лазерного излучения на ВКН и ТВЧ в СПВ с учетом их физико-химических особенностей и определение возможностей рефлекто-нефелометрического разделения концентрации по типу частиц; обоснование необходимости применения методов измерения полной индикатрисы рассеяния для улучшения метрологических и технико-экономических характеристик детекторов концентрации ВКН и ТВЧ в СПВ.

Разработка метода кругового детектирования концентраций на основе измерения полной индикатрисы рассеяния ВКН и ТВЧ в СПВ; анализ основных составляющих погрешностей измерений и их экспериментальная верификация; разработка методов минимизации и компенсации основных составляющих погрешностей измерений.

· Проектирование и создание круговых детекторов концентраций ВКН и ТВЧ в СПВ на базе разработанных методов; определение принципов построения расширенной АСУ ТП ДН, включающей в свой состав дополнительный слой мониторинга концентраций ВКН и ТВЧ в СПВ; внедрение разработанных детекторов и отдельных программно-аппаратных средств АСУ ТП ДН для повышения эффективности мониторинга качества СПВ в целом.

Методы исследования, достоверность и обоснованность результатов.

В процессе выполнения работы на различных ее этапах использовались эмпирические и теоретические методы исследований: математическое моделирование, методы математической физики, вероятностные методы и статистическая обработка экспериментальных результатов.

Обоснованность и достоверность результатов определяются использованием известных положений фундаментальных наук, корректностью используемых математических моделей и их адекватностью реальным физическим процессам; совпадением теоретических результатов с данными экспериментов и результатами исследований других авторов, а также с результатами эксплуатации созданных устройств; экспертизами ФИПС с выдачей патента РФ.

Научная новизна:

· Проведен сравнительный анализ метрологических и технико-экономических характеристик существующих и перспективных детекторов концентрации ВКН и ТВЧ в СПВ; определены пути улучшения метрологических и технико-экономических характеристик детекторов концентрации и повышения эффективности мониторинга качества СПВ в целом, основанные на применении методов измерения полной индикатрисы рассеяния ВКН и ТВЧ.

Математически смоделированы процессы рассеяния лазерного излучения на ВКН и ТВЧ в СПВ с учетом их физико-химических особенностей; определены возможности рефлекто-нефелометрического разделения концентрации по типу частиц; дано математическое обоснование необходимости применения методов измерения полной индикатрисы рассеяния и разработаны алгоритмы их реализации для улучшения метрологических и технико-экономических характеристик детекторов концентрации ВКН и ТВЧ в СПВ.

Предложен метод кругового детектирования концентраций на основе измерения полной индикатрисы рассеяния ВКН и ТВЧ в СПВ; проведены анализ основных составляющих погрешностей измерений и их экспериментальная верификация по ВКН, ТВЧ и специальным сополимерам, применяемым в технологиях подготовки СПВ; разработаны методы минимизации и компенсации основных составляющих погрешностей на основе применения алгоритмов интегральных измерений, интерполяции и искусственных нейронных сетей.

На базе предложенных методов разработаны структуры круговых детекторов концентрации ВКН и ТВЧ в СПВ; определены принципы построения расширенной АСУ ТП ДН, включающей в свой состав дополнительный слой мониторинга качества СПВ.

На основе разработанных структур и принципов построения создан модельный ряд принципиально новых, круговых детекторов концентрации ВКН и ТВЧ в СПВ с улучшенными метрологическими и технико-экономическими характеристиками и расширенная структура АСУ ТП ДН для повышения эффективности мониторинга качества СПВ в целом.

Практическая ценность работы. Совокупность результатов, полученных в процессе выполнения диссертационной работы, убедительно доказывает возможность создания круговых детекторов концентрации на основе измерения полной индикатрисы рассеяния ВКН и ТВЧ в СПВ. Подтверждением этому являются разработанные круговые лабораторный (Л) и поточные (П) детекторы ДКВЧ-М-840-Л, ДКВЧ-М-840-П, ДКВЧ-М-280/840-П и их модификации для мобильного использования, а также программно-аппаратные средства для создания на их основе расширенной АСУ ТП ДН. При этом достигается улучшение метрологических и технико-экономических характеристик детекторов концентрации ВКН и ТВЧ и повышение эффективности мониторинга качества СПВ в целом, выражающееся в компенсации влияния загрязнения окон рассеивающего объема, многоканальности и ряда других факторов на точность измерения, снижении динамического диапазона используемых сигналов для раздельной рефлекто-нефелометрической регистрации концентраций по типу частиц, снижении стоимости и повышении надежности детектора.

Реализация и внедрение результатов работы. Результаты работы, реализованные в виде круговых детекторов концентрации ВКН и ТВЧ в СПВ и лабораторных стендов, математических моделей, данных экспериментальных исследований, методик проектирования и расчета, программно-аппаратных средств АСУ ТП ДН, использовались при выполнении госбюджетных и хоздоговорных НИР и внедрены в структурном подразделении ОАО "Татнефть" - НГДУ "Лениногорскнефть", г. Лениногорск, ООО "Сенсор-групп", г. Казань, в научно-исследовательском и учебном процессе КГТУ-КАИ им.А.Н. Туполева и КГТУ-КХТИ, г. Казань. Научно-технические результаты работы использовались при выполнении НИР по ФНТП Минобрнауки РФ "Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники на 2002-2006 годы" в 2002-2004 гг. и программе Фонда НИОКР РТ "Развитие приоритетных направлений науки в РТ на 2001-2005 годы" в 2001-2004 гг., государственных контрактов ГК 52-15 "Экология-МО" и УД-144 "Экология-Р" в 2005-2006 гг.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научных конференциях КГТУ-КАИ им.А.Н. Туполева и КГТУ-КХТИ, Казань, 2002-2006 гг., XII и XIV Туполевских чтениях, Казань, 2004, 2006 гг., III и V Международных НТК "Физика и технические приложения волновых процессов", Волгоград, 2004 г., Самара, 2006 г., VIII Международной НТК "Оптические методы исследования потоков", Москва, 2005 г.

Публикации. По материалам диссертации опубликованы 8 научных работ, в том числе 2 статьи в реферируемых журналах, включенных в список ВАК РФ, патент РФ, 4 тезиса докладов и доклад.

Структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы, включающего 104 наименования, и двух приложений. Работа без приложений изложена на 147 страницах машинописного текста, включая 56 рисунков и 9 таблиц.

Основные положения, выносимые на защиту:

· Результаты системного анализа метрологических и технико-экономи-ческих характеристик существующих и перспективных детекторов концентрации ВКН и ТВЧ для мониторинга качества СПВ; рекомендации по выбору путей улучшения метрологических и технико-экономических характеристик детекторов концентрации и повышения эффективности мониторинга качества СПВ в целом, основанных на использовании измерений полной индикатрисы рассеяния ВКН и ТВЧ.

Результаты математического моделирования процессов рассеяния лазерного излучения на ВКН и ТВЧ в СПВ с учетом их физико-химических особенностей; принципы и алгоритмы рефлекто-нефелометрического разделения концентрации по типу частиц; результаты математического обоснования необходимости применения методов измерения полной индикатрисы рассеяния и алгоритмы их реализации для улучшения метрологических и технико-экономи-ческих характеристик детекторов концентрации ВКН и ТВЧ в СПВ.

Метод кругового детектирования концентраций на основе измерения полной индикатрисы рассеяния ВКН и ТВЧ в СПВ; результаты анализа основных составляющих погрешностей измерений и их экспериментальной верификации по ВКН, ТВЧ и специальным сополимерам, применяемым в технологиях подготовки СПВ; методы на основе применения алгоритмов интегральных измерений, интерполяции и искусственных нейронных сетей для минимизации и компенсации основных составляющих погрешностей; структуры стендов, лабораторных и поточных круговых детекторов концентрации, алгоритмы их программного обеспечения.

Результаты внедрения модельного ряда круговых детекторов концентрации ВКН и ТВЧ в СПВ с улучшенными метрологическими и технико-экономическими характеристиками и программно-аппаратных средств расширенной структуры АСУ ТП ДН, включающей в свой состав дополнительный слой мониторинга качества СПВ.

Содержание работы

Во введении представлена общая характеристика диссертационной работы: актуальность, цель, задачи исследований, научная новизна и практическая значимость, методы исследований, достоверность, реализация и внедрение полученных результатов, апробация и публикации, основные защищаемые положения. Приведены структура и краткое содержание диссертации.

В первой главе рассмотрены общие вопросы мониторинга качества СПВ и характеристики детекторов концентрации ВКН и ТВЧ, используемых для его реализации; определены причины, ограничивающие возможности детекторов указанного класса; проанализировано современное состояние работ по созданию методов и средств улучшения их метрологических и технико-эконо-мических характеристик и повышения эффективности мониторинга СПВ.

Современное состояние многих российских нефтегазодобывающих компаний (НГДК), вследствие различного комплекса экономических, природных или техногенных причин, таких как падение дебитов добывающих скважин, их высокая обводненность, повышение налогообложения, возрастающие требования экологических норм и т.д., требует реализации программно-технологи-ческих схем, позволяющих снизить капиталовложения и эксплуатационные расходы. Как показывает практика, применение АСУ ТП ДН в оперативном управлении как методе планирования и регулирования производством является наиболее эффективным.

При обосновании актуальности работы отмечалось огромное значение для структуры НГДК наличия достоверной информации о содержании и концентрации в СПВ ВКН и ТВЧ. Следует лишь добавить, что превышение ПДЗ по концентрации ВКН и ТВЧ в СПВ, предназначенных для обратной закачки в пласт, приводит к замасливанию прискважинных зон и остановке скважин.

Таким образом, оперативный контроль за концентрацией ВКН и ТВЧ в цепи подготовки СПВ является важной задачей. Однако важность оперативного контроля концентрации ВКН и ТВЧ до сих пор не нашла отражения в структуре применяемых АСУ ТП ДН, в базах данных которых можно найти лишь вводимые вручную сведения о результатах лабораторного анализа СПВ.

Критическое рассмотрение сложившегося положения, показало, что создание в структуре АСУ ТП ДН слоя мониторинга качества СПВ по концентрации ВКН и ТВЧ, во многом осложняется ограниченными возможностями существующих методов и средств. Данный вывод явился следствием нескольких взаимосвязанных причин.

Первая причина, обусловленная особенностями построения и применения детекторов, реализующих методы, предназначенные для лабораторного использования (гравитационный, колориметрический и т.д.). Данные методы могут обеспечить получение наиболее представительной и раздельной информации о концентрации ВКН и ТВЧ, но не могут быть использованы при прямых полнопоточных измерениях, где необходимо малое время анализа, критичное для принятия решения управления технологическим процессом.

Вторая причина, обусловленная особенностями построения и применения детекторов, реализующих методы ультрафиолетового поглощения и флуоресценции. Данные методы могут применяться как в лабораторных, так и полевых условиях. Однако наличие в составе СПВ различных микроорганизмов, бактерий и ТВЧ, поглощающих УФ-излучение, вносят значительную погрешность в результаты измерений детекторов, реализующих первый метод. ТВЧ, непоглощающие УФ-излучение, не могут быть зафиксированы детекторами, реализующими второй метод.

Третья причина, обусловленная особенностями построения и применения детекторов, реализующих многоугловые турбидо-нефелометрические методы измерения. Данные методы можно отнести к наиболее распространенным и высокоточным. Однако их существенными недостатками следует считать влияние на результаты измерений загрязнения окон и юстировки нефелометрических фотоприемников по характерным углам для СПВ различной природы. Оба этих фактора влияют на точность регистрации амплитуды рассеянного излучения, которая непосредственно определяет точность измерения концентрации.

Для минимизации первого недостатка используется логометрический принцип измерения, реализуемый путем введения переменных измерительных баз на основе дополнительных фотоприемников (или излучателей) и двух - или многолучевых оптических схем. Для минимизации второго недостатка используются высокоэффективные, обучаемые системы на основе искусственных нейронных сетей (ИНС). Для обучения ИНС также используются данные измерения нескольких фотоприемников. Наличие большого числа фотоприемников, как и в базовых схемах многоугловых детекторов, хоть и позволяет повысить точность измерения концентрации ВКН и ТВЧ, но требует при этом значительных затрат и усложнения схемы прибора, что в конечном итоге приводит к снижению его надежности.

Для устранения указанных недостатков был предложено применить в детекторах метод измерения полной индикатрисы рассеяния. Данный метод для определения концентрации ВКН и ТВЧ в СПВ по нашим сведениям не применялся. Его суть заключается в определении индикатрисы рассеяния в полном угле (360), которое осуществляется с помощью одного или двух фотоприемников и одного вращающегося лазерного излучателя.

Реализация метода требует анализа процессов рассеяния лазерного излучения на ВКН и ТВЧ в СПВ с учетом их физико-химических особенностей; исследования возможностей разделения концентрации по типу частиц, в том числе в рефлектометрической зоне рассеяния, которая ранее практически не использовалась; оценки основных составляющих погрешностей измерений; разработки методов структурирования создаваемых детекторов в АСУ ТП ДН.

Таким образом, в результате исследований, проведенных в первой главе, определены пути улучшения характеристик детекторов концентрации, основанные на использовании метода измерения полной индикатрисы рассеяния ВКН и ТВЧ, и повышения эффективности мониторинга качества СПВ в целом. Сформулированы цель диссертационной работы и перечень основных задач, решение которых необходимо для достижения поставленной цели.

Вторая глава посвящена исследованию процессов рассеяния света на ВКН и ТВЧ, содержит соответствующие математические модели, результаты математического и физического моделирования, определившие возможность рефлекто-нефелометрического раздельного измерения ВКН и ТВЧ, а также обоснование необходимости применения методов измерения полной индикатрисы рассеяния для улучшения метрологических и технико-экономических характеристик детекторов концентрации ВКН и ТВЧ в СПВ.

На основе анализа процесса рассеяния света на мутных элементах, проведенного в первом разделе главы, получены основные соотношения, определяющие связь суммарного потока рассеянного излучения с количеством частиц в рассеивающем объеме, их размерами, формой, оптическими константами.

Известно, что ВКН и ТВЧ не растворяются в воде, а содержатся в ней в виде отдельных частиц и имеют отличающиеся от воды оптические константы. Комплексные показатели преломления перечисленных сред в видимом и ближнем ИК спектральном диапазоне длин волн имеют следующие величины: вода дистиллированная - , ВКН - , ТВЧ - . Выбранная оптическая константа дистиллированной воды позволяет исключить из рассмотрения влияние растворенных в СПВ компонент других веществ (соли, газы и т.д.) с целью облегчения математического моделирования. Анализ приведенных оптических констант говорит о высокой вероятности обнаружения ТВЧ и ВКН в воде и возможности раздельного измерения их концентрации с высоким отношением сигнал/шум.

Во втором разделе главы проведено математическое моделирование процессов рассеяния лазерного излучения на сферических ТВЧ и ВКН.

Для оценки индикатрис рассеяния мутных объемов, содержащих сферические твердые и нефтяные частицы радиуса от 1 до 100 мкм с показателями комплексного преломления, указанными выше, проведены расчеты по формулам, полученным в приближении геометрической оптики.

В качестве источника падающего излучения был выбран полупроводниковый лазер, с длинной волны =0,84 мкм (область спектра с малым поглощением воды и ВКН, определена экспериментально). Рассчитанный диаметр луча для формирования счетного объема составил 0,5 мм и обеспечивался при реализации использованием коллимирующей оптической системы. С учетом перечисленных выше условий оптическая толщина среды составила величину , что позволяет рассматривать случай однократного рассеяния.

Геометрическая оптика прозрачного шара. В основу исследования положены формулы Френеля для коэффициентов отражения и проникновения лучей света. Будем различать лучи с направлением колебаний, лежащим в плоскости падения и перпендикулярным плоскости падения. Первые отмечены индексом , вторые - ; - угол падения, - угол преломления, - относительный показатель преломления.

, ;

, ;

, , . (1)

Рассмотрим сферическую каплю, на которую в направлении ОХ падает параллельный пучок естественного света (рис.1). Возьмем плоскость, проходящую через центр капли и содержащую направление ОХ. Будем называть все лучи, вышедшие из капли, производными луча, первоначально упавшего на каплю. Отраженный луч будет первым производным, луч, дважды преломленный - вторым производным и т.д. Рассмотрим распределение интенсивности рассеянного света на больших расстояниях от капли (). При учете как отражения, так и преломления индикатрисы рассеяния - и - лучей соответственно будут равны:

детектор сточная вода рассеяние нефть

,

. (2)

Здесь , где - угол рассеяния.

Ограничимся рассмотрением отраженного и преломленного света. Это связанно с тем, что в первых двух порядках будет заключено более 95% от всего потока, упавшего на каплю, что обеспечивает необходимую точность моделирования. Существенным обстоятельством, ограничивающим применимость полученных выше выражений, является отсутствие в них учета волновых эффектов. Однако, как в направлениях радуг, так и в направлениях вперед и назад интервал углов, в котором данные эффекты проявляются, очень мал. Так, в направлении нуль он порядка . Поэтому, например, при рассеянии света на каплях нефти с мкм, где 120, только в области углов порядка нескольких градусов вокруг нуля и, примерно, такого же порядка вокруг направления первой и второй радуг вычисления на основании геометрической оптики должны быть дополнены учетом волновых эффектов. Поэтому, несмотря на то, что вычисления, основанные на геометрической оптике, принципиально не могут дать точной индикатрисы, практически, для случая достаточно больших частиц они дают хорошее приближение к действительности. При этом необходимо учитывать отраженный и преломленный лучи.

Геометрическая оптика поглощающей твердой частицы. В этом случае необходимо обратить внимание, на то, что - комплексное число. Следовательно, коэффициенты отражения для полей также будут комплексными числами. Однако, в соответствии с известными данными для ТВЧ в ближней ИК области < 0,3. Тогда, с погрешностью до 5% можно вычислить угол преломления луча только по вещественной части комплексного коэффициента преломления m, при этом убывание амплитуды преломленной волны определяется множителем . Для частиц с 0,1 уже для 10 можно пренебречь пучком преломленных лучей и производных более высоких порядков. При этом погрешность моделирования составит 5%. Таким образом, для ТВЧ необходимо учитывать только отраженный луч.

В третьей части главы проведены численные эксперименты (моделирование процессов) с помощью программы "MathCAD". Результаты моделирования представлены в виде зависимостей интенсивности только отраженного света от угла рассеяния (индикатрисы рассеяния) на рис.2, а, б.

Результаты моделирования различных концентраций ВКН и ТВЧ показали, что наличие ВКН приводит к интенсивному рассеянию вперед, внутри конуса с углом раскрыва 82. В этой области углов доля рассеяния от ТВЧ меньше на порядок. Рефлектометрическое рассеяние для ВКН и ТВЧ имеет вид близкий к полусфере с раскрывом 180, и отличается лишь значением радиуса, зависящего от значения комплексного показателя преломления. Таким образом доказана возможность рефлекто-нефелометрического определения раздельных концентраций ВКН и ТВЧ. Рефлектометрическое рассеяние несет информацию о суммарной концентрации ВКН и ТВЧ, а нефлометрическое - только о концентрации ВКН. При этом динамический диапазон сигналов рассеяния при рефлекто-нефелометрическом определении раздельных концентраций ВКН и ТВЧ на 2-3 порядка меньше, чем при турбидо-нефелометрическом, что существенно облегчает построение блоков и условие обработки указанных сигналов.

В заключительной части главы дано обоснование необходимости применения методов измерения полной индикатрисы рассеяния для улучшения метрологических и технико-экономических характеристик детекторов концентрации ВКН и ТВЧ в СПВ. В частности, показаны реализации данным методом большинства известных методов многоуглового турбидо-нефелометрического детектирования ВКН и ТВЧ, включая логометрический. Определен выигрыш по точности измерений при реализации метода полной индикатрисы рассеяния по сравнению с многоугловым детектором в случае изменении состава СПВ, приводящего к "неточной" локализации нефелометрических фотоприемников.

В третьей главе на основе результатов, полученных в гл.1 и 2, рассмотрены принципы построения кругового поточного детектора концентрации на базе метода полной индикатрисы рассеяния ВКН и ТВЧ в СПВ.

В первой части главы предложен круговой детектор концентрации ВКН и ТВЧ в СПВ, основанный на методе полной индикатрисы рассеяния. Принцип работы детектора заключается в подаче промысловой воды в зону рассеивающего объема, выполненного прозрачным для ближнего ИК излучения и освещении пробы источником лазерного излучения. При этом источник лазерного излучения установлен на краю поворотного столика так, что при вращении поворотного столика изменяется угол между его оптической осью и оптической осью фотоприемника, регистрирующего интенсивность рассеянного на ВКН и ТВЧ лазерного излучения. Определение концентрации ВКН и ТВЧ производится в компьютере на основе зарегистрированного фотоприемником сигнала.

На рис.3, а изображена сигналограмма выходного напряжения фотоприемника за один оборот поворотного столика, определяемый расстоянием между максимальными зарегистрированными пиками амплитуды, соответствующими прямому лазерному излучению, прошедшему через рассеивающий объем.

а б в

Рис.3

Остальные значения амплитуд сигналограммы между пиками соответствуют рассеянному на ВКН и ТВЧ лазерному излучению в диапазоне углов 0<<360. Зоны сигналограммы в области 0 (360) и 180, характеризующиеся подъемом амплитуды и провалом, обусловлены соответственно перекрытием турбидиметрического сигнала (снижение динамического диапазона) и фотоприемника источником лазерного излучения (особенности кругового вращения). Характерными изменениями сигнала, существенными для реализации метода, являются изменения его амплитуды между углами 20-160. Нефтяные частицы обладают большим рассеянием в области углов меньших 90. Следовательно, для контроля наличия и измерения концентрации ВКН необходимо использовать зону сигналограммы, отвечающую за рассеяние вперед. Зона сигналограммы, отвечающая за рефлектометрическое рассеяние, будет характеризовать суммарное наличие в воде ВКН и ТВЧ.

Для проверки результатов методологической разработки детектора был создан экспериментальный стенд и проведены его испытания.

Для создания экспериментального стенда было использовано следующее стандартное оборудование: источник лазерного излучения на базе лазерного диода с длиной волны 0,84 мкм и мощностью 1-3 мВт; фотоприемник на базе фотодиода КФДН с углом поля зрения 2; предварительный усилитель на базе AD823; аналого-цифровой преобразователь на базе модуля Е-140 с программным обеспечением L-card "PowerGraph"; компьютер - PC-IV. В качестве рассеивающего объема была применена стандартная нефелометрическая кювета от анализатора мутности СКАТ-1 НПФ АП “ЛЮМЭКС”.

С помощью экспериментального стенда проводились измерения мутности эквивалентов СПВ при различных концентрациях ТВЧ и ВКН. В качестве эталонных эмульсий, для градуировки датчика, применялись прямые нефтяные эмульсии (Татарстан), полученные на ультразвуковом диспергаторе УЗДН-1, с размерами частиц от 10 до 200 мкм и шагом 10 мкм и эмульсии с катионным сополимером акриламида (КСА), оптические параметры которого близки к параметрам светлой нефти (ближневосточные страны ОПЕК). КСА применяется для реализации эффекта Томса - снижения турбулентности потоков при транспортировке нефти и СПВ при добавлении КСА. При этом существенна зависимость эффективности его реализации от концентрации КСА.

Регистрировались оптические свойства эмульсии в зависимости от размеров и концентрации ВКН, КСА и ТВЧ. Данные сигналограммы запоминались в программе Power Graph как градуировочные. После этого готовилась эмульсия с неизвестными параметрами и измерялись ее оптические свойства. После сравнения сигналограмм неизвестной и калибровочной эмульсий, делался вывод о процентном содержании в ней взвешенных частиц.

В случае наличия в воде лишь ВКН или КСА погрешность определения концентрации составляла 4%, и определялась дискретностью градуировочных характеристик. Погрешность определения концентрации ТВЧ составила 9%. Столь высокий уровень погрешности был обусловлен объективными трудностями подготовки эталонных эмульсий. При использовании стандартных калибровочных эмульсий формазина погрешность была снижена до 2-3%.

Отмечено хорошее согласование расчетных и экспериментально полученных характеристик стенда при работе в широком диапазоне эмульсий при наличии в них как частиц ВКН, КСА, так и ТВЧ. На рис.3, а-в представлены результаты одной из серий экспериментов для концентрации ВКН соответственно 0,02, 0,01, 0,005% и концентрации ТВЧ 0,005%.

В третьей части главы приведены результаты анализа основных погрешностей измерений при реализации метода полной индикатрисы.

Погрешности были сгруппированы по следующим признакам: возникающие вне датчика (первая группа), внутри датчика (вторая группа), и вторичные погрешности, возникающие при устранении погрешностей из первых двух групп. Допустимая погрешность измерений обозначена как .

Погрешностями, которые по объективным оценкам намного меньше, чем , при составлении функциональной схемы можно пренебречь. Погрешность (погрешность, вызванная вибрацией насосов в цехе подготовки воды) трудно поддается учету, поэтому целесообразно ее минимизировать созданием соответствующих условий. Погрешность (погрешность, вызванная температурным расширением) будет являться погрешностью второго порядка, т.к. ТКР ВКН и ТВЧ достаточно мал. Погрешность (погрешность аспирации) будет определяться стандартом для системы отбора проб. Соблюдение требований, предъявляемых к пробоотборным системам, и гарантируют удовлетворение условия <.

В соответствии со схемой измерений, классифицированы и оценены основные составляющие погрешности измерений, наиболее значимыми из них являются (загрязнение окон рассеивающего объема нефтяными и твердыми частицами) и (нестабильность интенсивности падающего излучения, обусловленная старением лазера и изменением тока накачки).

В четвертой части главы рассмотрены методы минимизации и компенсации основных погрешностей измерений, связанных с загрязнением окон рассеивающего объема и нестабильностью интенсивности падающего излучения.

Для устранения указанных погрешностей стационарного характера предложен метод и разработано устройство для его реализации, основанные на применении метода контроля интенсивности общей освещенности рассеивающего объема с помощью дополнительного фотоприемника, сигнал которого является компенсирующим. Степень компенсации ограничивается пределом чувствительности оптического тракта "источник лазерного излучения - основной и дополнительный фотоприемник". Для устранения указанных погрешностей случайного характера предложен метод интерполяции индикатрисы рассеяния на "гладких" участках по данным круговых измерений. Для устранения указанных погрешностей с универсальной точки зрения рассмотрены варианты использования искусственных нейронных сетей, представляющих широкие возможности для повышения точности различных измерений в многокомпонентных средах.

Таким образом, в результате исследований проведенных в третьей главе:

1. Предложен метод контроля концентрации ВКН и ТВЧ в СПВ и структурная схема кругового детектора для его реализации, основанные на измерении индикатрисы рассеяния в полном угле с последующим раздельным определением весовой концентрации ВКН и ТВЧ.

2. Разработан экспериментальный лабораторный стенд для измерения концентрации ВКН и ТВЧ, а также специальных сополимеров (КСА и др.), используемых в технологиях подготовки СПВ.

3. Проведен анализ основных методологических и аппаратных погрешностей реализации метода. Показано, что основные погрешности в реализацию метода вносит загрязнение стенок рассеивающего объема и нестабильность мощности лазерного излучения.

4. Разработаны методы на основе применения алгоритмов интегральных измерений, интерполяции и искусственных нейронных сетей для минимизации и компенсации указанных погрешностей.

Анализ результатов, представленных в главе, позволяет утверждать, что предложенные методы способны улучшить метрологические характеристики существующих приборов за счет исключения погрешностей загрязнения окон и нестабильности мощности лазерного излучения, упростить схему детекторов и повысить их надежность, снизить эксплуатационные расходы на обслуживание детекторов, повысить оперативность определения концентрации ВКН и ТВЧ до 1 с и обеспечить погрешность их измерения до 2-3%.

Четвертая глава содержит описание разработанного и апробированного кругового поточного детектора концентрации ВКН и ТВЧ в СПВ, а также разработанной структуры расширенной АСУ ТП ДН с вложенным слоем мониторинга качества СПВ.

Аппаратурный уровень расширенной АСУ ТП ДН с вложенным слоем мониторинга СПВ, рассмотренный в первой части главы, состоит из детекторов, устанавливаемых на дожимных насосных станциях (ДНС), в стационарных и мобильных лабораториях. Каждый из них содержит источник лазерного излучения, механизм вращения, фотоприемную подсистему измерительного преобразования, микропроцессорный блок для вычислений, передачи данных и управления работой модуля, подсистему ввода СПВ в зону рассеивающего объема и ее вывода.

К разработанному модельному ряду относятся модули:

"ДКВЧ-М-840-Л", предназначенный для автоматизированного мониторинга качества СПВ в структуре лабораторного комплекса ДНС НГДК;

"ДКВЧ-М-840-П", предназначенный для автоматического мониторинга качества СПВ в цехах подготовки, структуре лабораторного комплекса ДНС НГДК и мобильных комплексов типа "УМИ-ОЗНА";

"ДКВЧ-М-280/840-П", предназначенный для автоматического мониторинга качества СПВ с экспресс диагностикой ВКН в цехах подготовки, в структуре лабораторного комплекса ДНС НГДК и мобильных комплексов типа "УМИ-ОЗНА".

ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ДЕТЕКТОРА КОНЦЕНТРАЦИИ ВКН и ТВЧ В СПВ ДКВЧ-М-280/840-П С ОПОРНЫМ ФОТОПРИЕМНИКОМ

1. Режим измерения…………………………………………. поточный

2. Продолжительность анализа, не более, с………………. …………1

3. Длина волны источника излучения,

для измерения концентрации ВКН и ТВЧ, мкм……. …………..……0,84

4. Длина волны источника излучения,

для экспресс-анализа наличия ВКН, мкм……. ……. ………..………0,28

5. Погрешность измерения долей ВКН и ТВЧ, не более, % ……….2

6. Вывод информации ………………………………………RS232/485

7. Питание модуля, В/Гц……………………………………......220/50

8. Температура окружающей среды, С………………..……. …15.45

9. Относительная влажность воздуха, не более % ………..……….95

10. Габаритные размеры, мм………………………..…….300300300

11. Масса не более, кг…………………………………………………10

При внедрении модулей в структуре ОАО "Татнефть" получены результаты, подтвердившие результаты теоретических исследований. При этом были обеспечены высокая степень автоматизации поточного мониторинга сточных нефтепромысловых вод, оперативность (до 1 с) и точность (погрешность не более 2%) определения весовой доли ВКН и ТВЧ в СПВ. Полученные результаты, позволяют обосновать замену существующего парка приборов, реализующих метод УФ флуоресценции, на разработанные детекторы. Время анализа СПВ, обеспечивающее репрезентативность измерений, в разработанном приборе не хуже, чем у приборов, реализующих метод УФ флуоресценции, при меньшей погрешности измерений и возможности независимого контроля концентраций частиц ВКН и ТВЧ. Кроме того, в круговом детекторе реализованы методы компенсации влияния загрязнений и старения источников излучения на точность измерений, что принципиально невозможно в приборах, реализующих метод УФ флуоресценции.

Во второй части главы рассматриваются вопросы разработки системного и программного уровней расширенной АСУ ТП ДН с повышенной эффективностью мониторинга качества СПВ.

По результатам анализа структуры и состояния традиционной АСУ ТП ДН были определены объекты нефтедобычи для внедрения кругового детектора ДКВЧ-М-840-П и создания слоя мониторинга СПВ с минимальными затратами и с обеспечением максимальной эффективности их применения. К ним относятся скважины заводнения (СЗ), ДНС, другие объекты (ДО) использования СПВ в структуре НГДК.

Учитывая современное состояние СЗ, характеризуемое оснащением в среднем не более 10-20% из них индивидуальной системой сбора информации, автоматизацией 1-10%, можно сказать, что в рамках расширения АСУ ТП ДН и проведения работ в опытной зоне необходимо будет установить скважинный комплекс на базе детекторов ДКВЧ на 25-45% СЗ.

Современное состояние автоматизации ДНС находится на значительно более высоком уровне по сравнению с автоматизацией СЗ. На них уже имеются вполне современные системы мониторинга состояния и управления работой ДНС, комплексы автоматизации (КА). Поэтому предполагается использование детекторов в цехах подготовки воды и лабораториях ДНС. Так как к настоящему времени автоматизация на большинстве ДНС уже проведена, то изменения в существующей системе в первом случае будут заключаться во включении в КА детекторов ДКВЧ и согласование их работы с существующим управляющим контроллером.

В структуру расширенной АСУ ТП ДН дополнительно включен мобильный комплекс на базе передвижной установки УМИ-ОЗНА. Он может использоваться в качестве средства предоставления информации о концентрации ВКН и ТВЧ на этапе развертывания расширенной АСУ ТП ДН в качестве временной альтернативы и для сбора информации с ДО, неподключенных к подсистеме передачи информации АСУ ТП ДН.

В приложении содержатся дополнительные материалы и документы, подтверждающие ряд положений диссертации и использование ее результатов.

В Приложении 1 представлены акты внедрения и использования результатов диссертации.

В Приложении 2 представлены алгоритмы программного обеспечения, расчетные программы, результаты расчетов и протоколы измерений, использованных, разработанных и полученных при разработке и исследования круговых детекторов концентрации ВКН и ТВЧ в СПВ.

Основные результаты работы

Главным результатом диссертационной работы является решение важной научно-технической задачи - улучшение метрологических и технико-экономи-ческих характеристик детекторов концентрации взвешенных капель нефти и твердых частиц в сточных промысловых водах.

Кроме того, получены следующие результаты.

1. Проведен сравнительный анализ существующих и перспективных методов и средств для мониторинга качества СПВ; определены основные пути улучшения метрологических и технико-экономических характеристик детекторов для его осуществления на базе использования преимуществ метода измерения полной индикатрисы рассеяния; определены основные пути повышения эффективности мониторинга качества СПВ в целом путем создания расширенной АСУ ТП ДН, с включением в нее слоя детектирования концентраций взвешенных капель нефти и твердых частиц, инициализируемого на всех уровнях ее внутренней и внешней иерархий.

2. Математически смоделированы процессы рассеяния лазерного излучения на взвешенных каплях нефти и твердых частицах в СПВ с учетом их физико-химических особенностей; определены принципы рефлекто-нефелометри-ческого разделения информации о концентрациях взвешенных капель нефти и твердых частиц; дано математическое обоснование необходимости применения методов измерения полной индикатрисы рассеяния и разработаны алгоритмы их реализации для улучшения метрологических и технико-экономических характеристик детекторов концентрации взвешенных капель нефти и твердых частиц в СПВ.

3. Предложен метод кругового детектирования концентраций на основе измерений полной индикатрисы рассеяния взвешенных капель нефти и твердых частиц в СПВ; проанализированы основные составляющие погрешностей измерений и разработаны методы для их минимизации и компенсации на основе применения алгоритмов интегральных измерений, интерполяции и искусственных нейронных сетей; на базе предложенных методов и созданных на их основе лабораторных стендов экспериментально показана возможность достижения требуемых метрологических и технико-экономических характеристик определения концентраций взвешенных капель нефти и твердых частиц, а также специальных сополимеров применяемых в технологиях подготовки СПВ.

4. На основе проведенных исследований разработаны и созданы круговые лабораторные и поточные детекторы концентрации взвешенных капель нефти и твердых частиц для мониторинга качества СПВ; разработаны рекомендации по их применению в зависимости от требований предъявляемых к ним условиями эксплуатации на различных ступенях НГДК; определены принципы построения расширенной АСУ ТП ДН, включающей в свой состав дополнительный слой мониторинга концентраций взвешенных капель нефти и твердых частиц, инициализируемый на всех уровнях ее внутренней и внешней иерархий, и обеспечивающей повышение эффективности мониторинга качества СПВ в целом.

5. Результаты диссертационной работы внедрены на ряде предприятий в виде отдельных модулей, программных средств АСУ ТП ДН, методик проектирования и учебно-методических материалов. Новизна и полезность технических решений подтверждены патентом РФ.

Список работ, отражающих основное содержание диссертации

1. Мягченков В.А., Чичканов С.В., Проскурина В.Е., Мягченков А.В. Зависимость величины эффекта Томса от концентрации и молекулярных параметров катионного сополимера акриламида // Журнал прикладной химии, 2002. Т.75. Вып.9. С.1517-1520.

2. Mjagchenkov V. A., Chichkanov S. V. & Mjagchenkov A. V. The Effect of Ionic Strength on the Efficiency of Drag Reduction by Ionogenic Acrylamide Copolymers in Turbulent Aqueous Flows // Georesources, 2004. № 1 (8). С.27-31.

3. Морозов О.Г., Мягченков А.В., Садчиков В.В. Исследования пилотной модели турбидиметра для нефтяных промысловых вод // Физика и технические приложения волновых процессов: Тез. докл. III Междунар. НТК: Приложение к журналу "Физика и технические приложения волновых процессов" / Под ред.В.А. Неганова, Г.П. Ярового. Волгоград: НП ИПД "Авторское перо", 2004. С.219-220.

4. Морозов О.Г., Мягченков А.В. Измерение концентрации взвешенных нефтяных частиц и твердых примесей в воде // XII Туполевские чтения: Тез. докл. Междунар. молодежной НК. Казань: Издательство КГТУ им.А.Н. Туполева, 2004. С.16-17.

5. Мягченков А.В., Морозов О.Г. Многоугловые измерения в детекторах концентрации нефти // Оптические методы исследования потоков: Труды VIII Междунар. НТК / Под ред. Ю.Н. Дубнищева, Б.С. Ринкевичюса. М.: ЗАО Фирма "Знак", 2005. С.386-387.

6. Морозов О.Г., Мягченков А.В., Турпитко В.А. Детектор концентрации нефти в воде // Физика и технические приложения волновых процессов: Тез. докл. V Междунар. НТК: Приложение к журналу "Физика и технические приложения волновых процессов" / Под ред.В.А. Неганова, Г.П. Ярового. Самара: Издательство СГУ, 2006. С.267-268.

7. Мягченков А.В., Морозов О.Г., Турпитко В.А. Многоугловые детекторы концентрации нефти // XIV Туполевские чтения: Тез. докл. Междунар. молодежной НК. Казань: Издательство КГТУ им.А.Н. Туполева, 2006. С.129-131.

8. U1 52185 RU 7 G01N 21/00. Детектор концентрации нефти в воде / Мягченков А.В., Морозов О.Г. и др. (НИЦ Прикладной электродинамики КГТУ им.А.Н. Туполева). №2005129252/22; Заявл. 19.09.2005 // Бюллетень ИПМ. 2006. № 7.

Размещено на Allbest.ru