Ультразвуковой анализатор суммарного содержания взвешенных капель нефти и твердых частиц в сточных промысловых водах

Содержание

• ГЛАВА 1. ИЗМЕРЕНИЕ СОДЕРЖАНИЯ ВЗВЕШЕННЫХ КАПЕЛЬ НЕФТИ И ТВЕРДЫХ ЧАСТИЦ В СТОЧНЫХ ПРОМЫСЛОВЫХ ВОДАХ
  • 1. 1. Взвешенные капли нефти и твердые частицы в сточных промысловых водах — как объект контроля
  • 1. 2. Методы и средства измерения содержания взвешенных капель нефти и твердых частиц в сточных промысловых водах
  • 1. 3. Обсуждение результатов анализа
  • 1. 4. Выводы по главе. Постановка задач дальнейших исследований
• ГЛАВА 2. МЕТОД УЛЬТРАЗВУКОВОГО АНАЛИЗА И ВОЗМОЖНОСТИ ЕГО ПРИМЕНЕНИЯ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СУММАРНОГО СОДЕРЖАНИЯ ВЗВЕШЕННЫХ КАПЕЛЬ НЕФТИ И ТВЕРДЫХ ЧАСТИЦ В СТОЧНОЙ ВОДЕ
  • 2. 1. Исследование затухания ультразвука в жидких средах
• Выбор частоты генератора для локации сточной воды
  • 2. 2. Расчет амплитуды ультразвукового сигнала отраженного от капли нефти в воде. Выбор формы зондирующего импульса
  • 2. 3. Математическая модель отражения ультразвука от взвешенных капель нефти в воде
  • 2. 4. Разработка способа измерения 55 2.4. Выводы по главе
• ГЛАВА 3. УЛЬТРАЗВУКОВОЙ СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ СУММАРНОГО СОДЕРЖАНИЯ ВЗВЕШЕННЫХ КАПЕЛЬ НЕФТИ И ТВЕРДЫХ ЧАСТИЦ В СТОЧНОЙ ВОДЕ
  • 3. 1. Разработка измерительного устройства
  • 3. 2. Расчет погрешности измерения
  • 3. 3. Выводы по главе
• ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА УЛЬТРАЗВУКОВОГО АНАЛИЗАТОРА СТОК-Ю
  • 4. 1. Генератор ультразвуковых колебаний
  • 4. 2. Ультразвуковой преобразователь
  • 4. 3. Приемник ультразвуковых колебаний
  • 4. 4. Особенности конструкции анализатора
  • 4. 5. Апробация анализатора СТОК-Ю
  • 4. 6. Выводы по главе 96 ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ
• СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
• ПРИЛОЖЕНИЕ Периодичность отбора проб сточной воды на содержание нефти и механических примесей
• — на выходе установки очистки воды (при наличии) или на выходе самоочищающегося жидкостного гидрофобного фильтра (при наличии) — 1 раз в смену
• — на входе кустовой насосной станции — 1 раз в 10 дней
• — на устье наиболее удаленной от кустовой насосной станции, нагнетательной скважины — по графику, согласованному со службой главного геолога, но не реже 1 раза в квартал [3]

Существующая схема мониторинга качества подготовки сточной воды, направляемой для целей поддержания пластового давления, по концентрации нефти, механических примесей, представлена на рис. 1. С регламентированной периодичностью 1 раз в смену отбирается проба воды с установки очистки, которая доставляется в химико-аналитическую лабораторию, где определяются вышеперечисленные показатели по стандартным методикам. Результаты анализов отправляются оператору очистных сооружений и технологу цеха.

Принятие технологического решения

Очистные сооружения

Передача информации!

I Гл. технолог ОАО «Татнефть'

Передача информации л. технолог НГДУ Рис. 1 — Существующая схема мониторинга сточных вод на очистных сооружениях.

Инспекционно с периодичностью 1 раз в квартал институтом «ТатНИ-ПИнефть» во всех нефтегазодобывающих управлениях ОАО «Татнефть» проводится мониторинг качества подготовки направляемой для целей поддержания пластового давления сточной воды. Также один раз в год проводится сверка межлабораторных испытаний по определению качества выполнения анализов.

Существующая периодичность лабораторных анализов в нефтегазодобывающих управлениях позволяет иметь общую картину о технологическом режиме подготовки воды, однако данной информации зачастую недостаточно для того, чтобы реагировать на его изменения в режиме реального времени на конкретном объекте, своевременно получать сигнал об увеличении пороговой концентрации загрязнений и принимать необходимые меры по улучшению качества воды [4].

Получение достоверной информации о качестве сточной воды, закачиваемой в пласт в режиме реального времени позволяет оперативно предпринимать необходимые действия в целях предотвращения закачки в пласт воды несоответствующего качества.

В настоящее время существуют устройства, предназначенные для определения концентрации взвешенных веществ в воде как отечественного, так и зарубежного производства. Это приборы, работающие на основе оптики, ультразвука, также некоторые из них используют в своей работе объекты биологического происхождения и другие. Анализ результатов, полученных при их эксплуатации, показывает, что в настоящее время все они в той или иной степени не удовлетворяют требованиям технологического процесса либо по точности, либо по рабочему диапазону, либо по оперативности, либо возможности автоматизации измерений.

Таким образом, разработка способа и устройства, позволяющих улучшить метрологические и технико-экономические характеристики анализаторов суммарного содержания взвешенных капель нефти твердых частиц в сточных промысловых водах, представляет собой актуальную задачу.

Объект исследования:

Методы и средства измерения суммарного содержания взвешенных капель нефти и твердых частиц в сточной воде, закачиваемой в пласт для поддержания пластового давления.

Цель работы:

Улучшение метрологических и технико-экономических характеристик анализаторов суммарного содержания взвешенных нефти и твердых частиц в сточных промысловых водах.

Основная задача научных исследований:

Разработка принципов построения, методов анализа и синтеза поточных анализаторов суммарного содержания взвешенных капель нефти и твердых частиц в сточных промысловых водах на основе излучения ультразвуковых колебаний в сточную воду со взвешенным веществом и приеме отраженных ультразвуковых импульсов от взвешенных веществ в сточной воде.

Для достижения поставленной цели и решения основной задачи научных исследований, на базе анализа характеристик существующей и перспективной измерительной аппаратуры для измерения суммарного содержания взвешенных капель нефти и твердых частиц в сточной воде и математического моделирования процесса отражения ультразвука от взвешенных веществ в сточной воде с учетом их физико-химических особенностей был разработан ультразвуковой метод измерения основанный на излучении ультразвуковых колебаний в сточную воду со взвешенными веществами и приеме отраженных от них ультразвуковых импульсов в совокупности с применением нового алгоритма обработки сигнала. А также разработана структура прибора и осуществлена его реализация, проведен анализ основных составляющих погрешностей измерений, и найдены пути их минимизации.

Результатом проведенной работы является создание поточного анализатора СТСЖ-101, позволяющего осуществлять непрерывный автоматизированный мониторинг суммарного содержания взвешенных капель нефти и твердых частиц в сточной промысловой воде.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и

приложений. Основное содержание диссертационной работы изложено на 105 страницах машинописного текста, иллюстрированного таблицами и рисунками.

В первой главе рассматриваются общие вопросы мониторинга качества сточных промысловых вод. Проанализированы характеристики анализаторов суммарного содержания взвешенных капель нефти и твердых частиц в сточной промысловой воде и проблемы, возникающие при использовании этих устройств в реальных условиях. Проведен анализ современных исследований по разработке методов и средств улучшения их метрологических и технико-экономических характеристик и повышения эффективности мониторинга сточных промысловых вод.

При обосновании актуальности работы отмечалась необходимость контроля качества сточной воды, закачиваемой в пласт в режиме реального времени. В настоящее время существует достаточно большое количество методов и средств определяющих содержания взвешенных веществ в сточной воде. Но их критический анализ показывает, что с точки зрения поставленной цели получения достоверной информации о качестве закачиваемой воды в непрерывном автоматизированном режиме, у каждой из существующих разработок в данной области имеются разного рода недостатки, ограничивающие их использование по указанному назначению.

Все существующие методы можно разделить на несколько категорий. К первой категории относятся методы, предназначенные для использования в лабораторных условиях. Такие как гравитационный, колориметрический методы и др. Они дают наиболее точную информацию о содержании взвешенных веществ в воде, но из-за своей трудоемкости и низкой оперативности получения результатов не могут быть использованы для непрерывного автоматизированного мониторинга.

К следующей категории относятся методы, пригодные как для лабораторных, так и для полевых условий. Это методы флуоресценции и ультрафиолетового поглощения. Устройства, реализующие метод флуоресценции не могут фиксировать наличие в воде твердых частиц, поскольку они не поглощают ультрафиолетовое излучение. А в показания устройств, работающих по второму методу, вносят значительную погрешность микроорганизмы, находящиеся в составе сточной промысловой воды и поглощающие ультрафиолетовое излучение. Таким образом, эти методы не могут быть использованы для контроля качества сточной промысловой воды.

К третьей категории относятся многоугловые турбидо-нефелометрические методы измерения. Они обладают наиболее высокой точностью, однако при работе со сточной промысловой водой, нефть оседает на стенках окон и изменяет их прозрачность, что существенно влияет на точность измерений. Существует метод, основанный на измерении полной индикатрисы рассеяния, в котором данный недостаток устранен путем добавления в конструкцию устройства дополнительных фотоприемников или излучателей и двух- или многолучевых оптических систем, реагирующих на изменение прозрачности окон и вносящих соответствующую корректировку в результаты измерений. Данный метод позволяет определять концентрацию взвешенной нефти и твердых частиц в сточной промысловой воде с высокой точностью и в автоматическом режиме. Однако отсутствие в настоящий момент функции автоматической самоочистки окон делает необходимым осуществлять их профилактическую чистку механическим способом с некоторой периодичностью, что затрудняет реализацию непрерывного мониторинга.

Четвертая категория — это акустические методы контроля. Они способны осуществлять автоматизированный мониторинг качества сточной воды. Однако все они могут давать лишь качественную информацию. Причиной тому служит ряд нерешенных вопросов как теоретического, так и технического характера, связанных с проблемой мониторинга качества сточной воды. Погрешность таких методов не удовлетворяет требованиям технологического процесса подготовки сточных промысловых вод.

Для устранения указанных недостатков было предложено использовать метод ультразвуковых колебаний, особенностью которого является работа на относительно низких частотах, использование нового алгоритма цифровой обработки сигнала и применение в конструкции ультразвукового преобразователя высокоэффективного акустического экрана.

Реализация метода требует анализа процессов отражения ультразвука от взвешенных капель нефти и твердых частиц в сточной промысловой воде с учетом их физико-химических особенностей и оценки основных составляющих погрешности измерений.

Таким образом, в результате исследований, проведенных в первой главе, выявлены возможности для улучшения характеристик анализаторов суммарного содержания взвешенных капель нефти и твердых частиц в сточной воде, основанные на использовании метода ультразвуковых колебаний и повышении эффективности мониторинга качества сточной промысловой воды в целом. Сформулирована цель диссертационной работы, и составлен перечень основных задач, подлежащих решению.

Во второй главе исследуется процесс отражения ультразвуковых колебаний от взвешенных капель нефти и твердых частиц в сточной промысловой воде. Приводится обоснование выбора частоты ультразвука для локации сточной воды и формы зондирующего импульса, а также математическое моделирование процесса отражения ультразвука от капель нефти в воде, которые определяют возможность применения метода ультразвуковых колебаний для измерения суммарного содержания взвешенных капель нефти и твердых частиц в сточной воде.

Известно, что взвешенные капли нефти и твердые частицы не растворяются в воде и имеют отличающиеся от воды физико-химические свойства. Также при обосновании актуальности исследований отмечалось, что 90% твердых частиц и капель нефти, содержащихся в сточной воде, имеют размер не более 5 мкм.

Как известно, значительные отраженные колебания будут наблюдаться в том случае, когда отражатель имеет размер соизмеримый с длиной волны и больше. Поскольку капли нефти и твердые частицы в очищенной сточной воде имеют размер не более 5 мкм, а скорость распространения ультразвуковых колебаний в воде составляет 1,5*106 мм/с, то для уверенного обнаружения отражателей размером 5 мкм необходимо излучать колебания с собственной частотой 150 МГц. На таких частотах в сточной воде будут наблюдаться очень большие затухания ультразвука. Кроме этого реализация контроля на частоте до 150 МГц представляет большие трудности из-за того, что в настоящее время разработка и изготовление пьезоэлектрических преобразователей с этой резонансной частотой проблематичны. Поэтому для реализации ультразвукового контроля был рассмотрен вариант с использованием более низких частот, при котором затухание ультразвука в воде на расстояниях 50−100 мм незначительно. С другой стороны, если частота ультразвука будет слишком низкой, то амплитуда отраженного сигнала будет близка к нулю. Результаты математических расчетов, проведенных с учетом этих условий, показывают, что частота ультразвуковых колебаний для локации сточной воды должна быть не более 4 МГц. В связи с тем, что промышленностью серийно выпускается пьезокерамика с частотами 2,5, 3,2, 3,6, 5 МГц, была выбрана керамика с резонансной частотой 3,6 МГц. При приклеивании пьезокерамики к демпферу ее частота уменьшается до 3,4 МГц. При этом необходимо отметить, что длина волны ультразвука получается примерно в 100 раз большей максимального размера взвешенных капель нефти и твердых частиц, содержащихся в сточной воде.

Результаты исследований института ТатНИПИнефть показывают, что содержание твердых частиц в сточной воде составляет примерно 10% от общей массы загрязнения, а на 90 процентов — это взвешенная нефть. С учетом этого в математической модели в качестве основного отражателя ультразвука принята взвешенная капля нефти.

Поскольку капля нефти в сточной воде имеет сферическую форму, для расчета зависимости амплитуды сигнала от ее массы использована теория отражения ультразвука от сферы, описанная в работе И. Н. Ермолова «Теория и практика ультразвукового контроля». Результаты математических расчетов показывают, амплитуда отраженного сигнала капли нефти в сточной воде прямо пропорциональна ее массе.

Проведен анализ формы зондирующего импульса и установлено, что наиболее подходящим вариантом является излучение в сточную воду зондирующего сигнала в виде произведения единичной функции, синусоиды и экспоненты:

0) = Н0-е г-вт^-О.

Математически смоделирован процесс отражения ультразвука от взвешенных капель нефти в сточной воде. Проведен анализ форм отраженных сигналов. Анализ математической модели, представленной в гл. 2 показывает: во-первых, ультразвуковой сигнал, поступающий на приемный преобразователь, является сложным и состоит из множества одиночных импульсов, имеющих экспоненциальную форму. Эти импульсы отражены от взвешенных капель нефти и твердых частиц и несут в себе информацию о их суммарном содержании в сточной воде. Во-вторых, становится ясным, что невозможно определять их содержание путем простого измерения амплитуды сигнала. Для решения данной проблемы разработан способ, основанный на сравнении отраженного сигнала с опорным напряжением и подсчете количества импульсов превышающих каждый уровень. Данный способ осуществлен с помощью микроконтроллера и ЭВМ, для которых разработаны алгоритмы работы и написаны программы.

В заключительной части главы делаются

выводы о пригодности ультразвукового метода измерения для мониторинга суммарного содержания взвешенных капель нефти и твердых частиц в сточных промысловых водах.

Третья глава. Для проверки результатов методологической разработки было создано измерительное устройство и проведены его испытания в условиях реального производства, которые заключались в одновременном последовательном измерении суммарного содержания взвешенных капель нефти и твердых частиц в потоке сточной воды ультразвуковым способом, отборе проб для аттестованного метода (лабораторный анализ) и последующем сопоставлении полученных результатов.

Для определения порядка расчета погрешности данного способа была разработана и утверждена Госстандартом методика поверки.

Проанализированы наиболее значимые составляющие погрешности, найдены способы их минимизации и проведена их экспериментальная верификация по суммарному содержанию взвешенных капель нефти и твердых частиц в сточных промысловых водах.

Анализ результатов, представленных во второй и третьей главе, позволяет утверждать, что предложенные способ и устройство измерения способны обеспечить непрерывный автоматизированный мониторинг суммарного содержания взвешенных капель нефти и твердых частиц в сточной промысловой воде.

Четвертая

глава IIосвящена разработке и апробированию анализатора СТОК-101. Приведены его основные технические характеристики. Анализатор СТОК-101 относится к связанному искробезопасному электрооборудованию группы II по ГОСТ Р 51 330.13.

Анализатор СТОК-101 прошел апробацию в рамках проведения метрологических испытаний в условиях реального производства на очистных сооружениях НГДУ «Иркеннефть», «Лениногорскнефть» и «Альметьев-нефть».

Анализ полученных результатов подтверждает возможность применения ультразвукового метода для мониторинга качества сточной воды и показывает, что анализатор СТОК-Ю1 может быть использован для измерения суммарного содержания взвешенной нефти и твердых частиц в сточных промысловых водах.