Методы и средства улучшения метрологических характеристик датчиков контроля обводненности сырой нефти

Актуальность. Исследование эмульсий органических соединений — наиболее часто встречающаяся задача органического анализа, так как подавляющее большинство объектов исследования в лабораторной практике — природные и биологические объекты, сырье и продукты химических производств — представляют собой эмульсии. Наиболее сложными (как по составу, так и по строению компонентов) являются эмульсии нефтяного происхождения, и, в частности, сырая нефть (СН).

Исторически сложившийся подход к исследованию компонентного состава СН предполагает использование прямых физических методов и разделение задачи на два этапа: сначала определяют число образующих эмульсию компонент и идентифицируют их, устанавливая качественный состав эмульсиизатем, исходя из некоторых характеристик идентифицированных в эмульсии компонент, рассчитывают количественные соотношения между ними. Для качественного анализа эмульсий предусматривается физическое разделение (сепарация) их на составляющие и доказательство индивидуальности полученных компонент. Для количественного анализа используют расчетные методики, полученные на основе или физического моделирования эмульсий из идентифицированных в эмульсии компонент, или математического моделирования с привлечением библиотечных данных и эмпирических закономерностей, обосновывающих правомерность использования такой модели. Расчетную методику можно рассматривать как некоторое решающее правило, согласно которому экспериментально наблюдаемая интенсивность аналитических признаков соотносится с концентрациями компонент в исследуемой эмульсии. При этом, как правило, принято рассматривать эмульсии, для которых интенсивность сигнала пропорциональна содержанию соответствующей компоненты, а взаимодействием между компонентами можно пренебречь.

По данным научно-технической литературы была определена высокая значимость использования сепарационных датчиков (СД) в системе мониторинга обводненности СН, применяемой в технологическом процессе добычи товарной нефти. Большой объем информации по данной проблеме содержится в трудах B. J1. Белякова, Г. Ф. Большакова, В. И. Логинова, C.S. Fang, W.J. Klaila, N.O. Wolf и др. Широко внедрены в практику лабораторных исследований СД на основе центрифуг и приборов Дина-Старка. На сегодняшний день приоритетным направлением развития СД является использование микроволновой сепарации СН на компоненты. Датчики, использующие микроволновую сепарацию, обладают высокой оперативностью (до 5−15 минут на сепарацию представительной пробы в 0,5−1 л), обеспечивают сепарацию проб различной обводненности (от 1 до 99%), а при использовании метода видеоизмерений уровня заполнения контрольного резервуара и количественного соотношения полученных компонент обеспечивают возможность 100%-й автоматизации процесса мониторинга обводненности СН.

Однако обеспечение высоких метрологических характеристик датчиков, построенных на основе микроволновой сепарации СН и видеоизмерения количественного соотношения полученных компонент, не всегда реализуемо, что объясняется рядом причин.

Среди них: сложный химический состав СН, наличие в СН окклюдированного газа, физические особенности образования сил поверхностного натяжения и межфазного взаимодействия жидкостей, входящих в состав СН, эффект смачиваемости стенок стеклянного сепарационного объема, особенности оптических характеристик СН и т. д. Указанные выше факторы приводят к снижению качества микроволновой сепарации, формированию сложных границ межфазного раздела, появлению бликов и зон «ложной» яркости на сформированном изображении разделенных компонент, что оказывает существенно негативное влияние на точность проводимых измерений используемых для этих целей датчиков контроля обводненности СН.

Отмеченные выше обстоятельства определяют актуальность разработки методов и средств повышения качества микроволновой сепарации и формирования видеоизображения полученных компонент для совершенствования метрологических характеристик СД контроля обводненности СН указанного класса.

Представляемая диссертационная работа посвящена решению этой задачи. Тематика и содержание работы соответствуют планам научных исследований, являющихся составной частью Федеральной научно-технической программы «Исследования и разработки 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 научно-исследовательским центром прикладной электродинамики Казанского государственного технического университета им. А. Н. Туполева (КГТУ-КАИ).

Цель работы состоит в решении важной научно-технической задачи улучшения метрологических характеристик датчиков контроля обводненности сырой нефти, построенных на основе микроволновой сепарации сырой нефти на компоненты и видеоизмерения количественного соотношения полученных компонент.

Основная задача научных исследований — разработка практических методов анализа и синтеза подсистем микроволновой сепарации сырой нефти, формирования видеоизображений полученных компонент и их обработки для улучшения метрологических характеристик датчиков контроля обводненности сырой нефти указанного класса.

Решаемые задачи:

• Сравнительный анализ характеристик сепарационных датчиков контроля обводненности сырой нефтивыявление резервов для улучшения метрологических характеристик датчиков контроля обводненности сырой нефти, построенных на основе микроволновой сепарации сырой нефти на компоненты и вилеоизмеоения количественного соотношения получен:., компонент: определение на этой основе направлений дальнейших научных исследований.

• Анализ подсистемы микроволновой сепарации и разработка сепарационных объемов коаксиальной формы для ее усовершенствованияразработка математических моделей воздействия микроволнового поля на сырую нефть в замкнутом объеме с учетом ее случайного компонентного состава и сравнительный анализ эффективности использования сепарационных объемов цилиндрической и коаксиальной формопределение оптимальных режимов обработки сырой нефти в сепарационном объеме коаксиальной формы по критерию максимума коэффициента сепарации компонент сырой нефти на нефть и воду и их экспериментальная верификация.

• Анализ основных составляющих погрешностей видеоизмерений количественного соотношения полученных компонент сырой нефтиразработка методов и средств уменьшения погрешностей видеоизмерений на основе совершенствования структуры подсистемы формирования изображений и повышения эффективности обработки последних с учетом использования сепарационного объема коаксиальной формы.

• Проектирование и создание на базе разработанных методов и средств, сепарационных датчиков контроля обводненности сырой нефти с улучшенными метрологическими характеристикамивнедрение усовершенствованных датчиков и отдельных программно-аппаратных средств, полученных при их разработке, для повышения эффективности мониторинга обводненности сырой нефти в целом.

Методы исследования, достоверность и обоснованность результатов.

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

Обоснованность и достоверность результатов определяются использованием известных положений фундаментальных науккорректностью используемых математических моделей и их адекватностью реальным физическим процессамсовпадением теоретических результатов с данными экспериментов, результатами исследований других авторов, а также с результатами эксплуатации созданных устройствэкспертизами ФИПС с признанием ряда технических решений изобретениями и полезными моделями, защищенными патентами РФ.

Научная новизна:

• Проведен сравнительный анализ существующих и перспективных сепарационных методов и средств мониторинга обводненности сырой нефтиопределены пути улучшения метрологических характеристик сепарационных датчиков контроля обводненности сырой нефти, построенных на основе микроволновой сепарации сырой нефти на компоненты и видеоизмерений количественного соотношения полученных компонент.

• Проведен анализ подсистемы микроволновой сепарации датчиков контроля обводненности сырой нефти, для улучшения качества которой предложено использование сепарационного объема коаксиальной формыразработаны математические модели воздействия микроволнового ЭМП на эмульсии типа «вода в нефти» и «нефть в воде» для ограниченных объемов цилиндрической и коаксиальной формэкспериментально определены оптимальные режимы обработки сырой нефти по критерию максимума ее коэффициента сепарации на компоненты для сепарационного объема коаксиальной формы.

• Проведен анализ основных погрешностей канала видеоизмерений датчиков контроля обводненности сырой нефти и предложены методы для их снижения на основе дополнительного анализа межфазного слоя, структурированного подсвета пробы сырой нефти внутри сепарационного объема коаксиальной формы, программно-градиентного кодирования и декодирования видеоизображенийполучены теоретические соотношения для определения выигрыша по точности измерений, подтвержденные экспериментально.

• На базе проведенных исследований разработаны датчики контроля обводненности сырой нефти, обеспечивающие более высокие точность и эффективность определения количественных соотношений ее компонент по сравнению с существующимиразработаны рекомендации по их применению в зависимости от требований предъявляемых к ним условиями эксплуатации на различных ступенях иерархии нефтегазодобывающего управления (НГДУ).

Практическая ценность работы. Совокупность результатов, полученных в процессе выполнения диссертационной работы, убедительно доказывает возможность модернизации и усовершенствования автоматизированной измерительной аппаратуры контроля обводненности сырой нефти на основе ее микроволновой сепарации и видеоизмерений количественного соотношения полученных компонент. Подтверждением этому являются разработанные стационарные модули ДОН-М-915 и ДОН-М-2450 и их модификации для мобильного использования. При этом достигается увеличение скорости микроволновой сепарации на 20%, качества микроволновой сепарации на 15%, точности определения границ сепарированной нефти на 30%, оперативности анализа на 25%.

Основные положения, выносимые на защиту:

•Результаты сравнительного анализа существующих и перспективных сепарационных методов и средств мониторинга обводненности сырой нефтирекомендации по выбору путей улучшения метрологических характеристик датчиков контроля обводненности сырой нефти, построенных на основе микроволновой сепарации сырой нефти на компоненты и видеоизмерении количественного соотношения полученных компонент.

• Метод формирования сепарационного объема датчиков на основе коаксиальных цилиндровматематические модели воздействия микроволнового электромагнитного поля на эмульсии типа «вода в нефти» и «нефть в воде» в ограниченных объемах цилиндрической и коаксиальной формрезультаты теоретических и экспериментальных исследований по определению оптимальных режимов обработки сырой нефти по критерию максимума ее коэффициента сепарации на компоненты для сепарационного объема коаксиальной формы.

• Результаты анализа основных погрешностей канала видеоизмерений и методы для их снижения на основе дополнительного анализа межфазного слоя, структурированного подсвета объекта измерения внутри сепарационного объема коаксиальной формырекомендации по повышению точности и эффективности определения количественных соотношений сырой нефти, основанные на использовании программно-градиентного метода кодирования и декодирования видеоизображений;

• Результаты внедрения датчиков контроля обводненности сырой нефти, обладающих более высокими точностью и эффективностью определения количественных соотношений компонент по сравнению с существующими и обеспечивающих повышение эффективности мониторинга обводненности сырой нефти в целомрекомендации по их применению в зависимости от требований предъявляемых к ним условиями эксплуатации на различных ступенях иерархии НГДУ.

Структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы, включающего 103 наименования, и 2 приложений (приложение № 2 размещается на CD-ROM диске). Работа без приложений изложена на 173 страницах машинописного текста, включая 81 рисунок и 6 таблиц.

4.3. Выводы по главе.

1. Модернизирован и внедрен датчик обводненности нефти «ДОН-М-2450», предназначенный для автоматизированного мониторинга обводненности СН типа «нефть в воде» в структуре СКВ, ГЗУ, лабораторного комплекса НГДК и мобильных комплексов типа «УМИ-ОЗНА».

2. Модернизирован и внедрен датчик обводненности нефти «ДОН-М-915», предназначенный для автоматизированного мониторинга обводненности СН типа «вода в нефти» в структуре СКВ, ГЗУ, лабораторного комплекса НГДК и мобильных комплексов типа «УМИ-ОЗНА».

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Главным результатом диссертационной работы является решение важной научно-технической задачи — улучшение метрологических характеристик датчиков контроля обводненности сырой нефти, построенных на основе микроволновой сепарации эмульсий на компоненты и видеоизмерения количественного соотношения полученных компонент.

Кроме того, получены следующие результаты:

1. Проведен сравнительный анализ существующих и перспективных сепарационных методов и средств мониторинга обводненности сырой нефтиопределены основные пути улучшения метрологических характеристик датчиков контроля обводненности сырой нефти, построенных на основе микроволновой сепарации сырой нефти и видеоизмерений количественного соотношения полученных компонент.

2. Для повышения качества микроволновой сепарации предложено использовать сепарационные объемы коаксиальной формыразработаны математические модели воздействия микроволнового ЭМП на эмульсии типа «вода в нефти» и «нефть в воде» в ограниченных объемах классической цилиндрической и перспективной коаксиальной формтеоретически и экспериментально определены оптимальные режимы обработки эмульсий по критерию максимума коэффициента ее сепарации на компоненты для сепарационного объема коаксиальной формыпри этом скорость микроволновой сепарации по сравнению с использованием цилиндрического сепарационного объема возросла на 20−25%, а качество микроволновой сепарации, определяемое в нашем случае решением задачи обеспечения равномерности теплового поля в сечении межфазного слоя, повысилось на 1520%.

3. Проанализированы основные погрешности канала видеоизмерений датчиков обводненности сырой нефти и предложены методы для их снижения на основе дополнительного анализа межфазного слоя, структурированного.

161 подсвета объекта измерения внутри контрольного резервуара коаксиальной формы в видимом и ИК-диапазонедля повышения эффективности определения количественных соотношений сырой нефти предложено использовать программно-градиентный метод кодирования и декодирования видеоизображенийпоказано, что при применении указанных методов и средств улучшения характеристик датчиков контроля сырой нефти, точность определения границ просепарированной нефти возросла на 30%.

4. На базе проведенных исследований разработаны датчики контроля обводненности сырой нефти, обеспечивающие более высокое качество микроволновой сепарации и определения количественных соотношений компонент сырой нефти по сравнению с существующимиразработаны рекомендации по их применению в зависимости от требований предъявляемых к ним условиями эксплуатации на различных ступенях НГДУрезультаты исследований внедрены на ряде предприятий в виде отдельных модулей, программных средств, методик проектирования и учебно-методических материалов.

Новизна и полезность технических решений подтверждены 2 патентами РФ на полезную модель и 2 положительными решениями о выдаче патентов РФ на изобретение и полезную модель.