Введение к работе
Актуальность темы. Закачиваемая в пласт вода является основным рабочим агентом, вытесняющим нефть. Процесс поддержания пластового давления путем заводнения предусматривает закачку огромных количеств воды через призабойные зоны нагнетательных скважин в пористые пласты. Вода должна хорошо фильтроваться в пористой среде и не обладать коррозионными свойствами. Сточные воды нефтяных месторождений содержат взвешенные вещества (нефть и механические примеси), наличие которых приводит к сильному загрязнению фильтрующей поверхности нагнетательных скважин и увеличению сопротивления фильтрации.
Закачка чистой родниковой воды приводит к тому, что, содержащиеся в ней микроорганизмы, попадая в пласт, начинают быстро размножаться и приводят к ухудшению фильтрующих характеристик пласта.
Одним из основных показателей качества подготовки нефтепромысловых сточных вод, закачиваемых в пласт для поддержания пластового давления, является концентрация остаточной нефти и механических примесей (твердых частиц). От количества в сточной воде этих загрязнителей зависят устойчивость и длительность приемистости нагнетательных скважин, сохранение коллектор-ских характеристик нефтяных пластов и, в конечном счете, полнота нефтеизв-лечения.
Нефть в сточных водах находится, в основном, в эмульгированном состоянии.
Исследованиями института ТатНИПИнефть установлено, что при закрытой системе очистки вод свыше 90% частиц механических примесей и эмульгированной нефти, содержащихся в очищенной сточной воде, имеют размер не более 5 мкм. (СТО ТН 028-2008 «Закачка технологической жидкости для поддержания пластового давления на месторождениях ОАО «Татнефть», г. Бугульма, 2008).
Для повышения вытесняющих свойств воды и более длительного сохранения приемистости нагнетательных скважин рекомендуется снижать содержание нефти и механических примесей.
Воду, закачиваемую в продуктивные горизонты, очищают от нефти и механических примесей до нормативных показателей.
Предельно допустимая концентрация взвешенных веществ в сточной воде составляет 230 мг/л, а средневзвешенное значение за месяц составляет ПО мг/л. При превышении предельно допустимых значений происходит замасливание прискважных зон и остановка работы скважины. Это влечет за собой необходимость проведения дорогостоящего капитального ремонта.
Таким образом, 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.
Нормативные параметры подготовки сточных вод для нефтепромыслов определены «Положением о закачке нефтепромысловых сточных вод в нагне-
тательные скважины системы поддержания пластового давления ОАО «Татнефть», согласно которому контроль качества подготовки воды должен выполняться с периодичностью 1 раз в смену по стандартным методикам, включающим в себя отбор проб воды, доставку в лабораторию, выполнение анализов. Такая периодичность не позволяет своевременно реагировать на изменение технологического процесса подготовки воды и принимать необходимые меры для предотвращения попадания в систему поддержания пластового давления 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 и 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 капель нефти и твердых частиц в сточных промысловых водах.
Задачи подлежащие решению:
проанализировать характеристики существующей и перспективной измерительной аппаратуры, предназначенной для измерения содержания взвешенных веществ в сточной воде, определить потенциальные возможности для улучшения метрологических и технико-экономических характеристик анализаторов и повышения эффективности мониторинга сточной промысловой воды в целом. На основе проведенного анализа, сформулировать основные направления для дальнейших научных исследований.
провести математическое моделирование отражения ультразвуковых колебаний от взвешенных капель нефти и твердых частиц с учетом их физико-химических особенностей. Обосновать необходимость применения ультразвукового метода для улучшения метрологических и технико-экономических характеристик анализаторов суммарного содержания взвешенных капель нефти и твердых частиц в сточных промысловых водах.
разработать способ автоматизированного измерения на основе излучения ультразвуковых колебаний в сточную воду со взвешенными веществами и
приеме отраженных от них ультразвуковых импульсов. Проанализировать основные составляющие погрешности измерений и провести их экспериментальную верификацию.
- спроектировать и создать анализаторы на основе разработанного способа.
Внедрить анализатор в технологический процесс производства для повышения
эффективности мониторинга качества сточной промысловой воды в целом.
Методы исследований. При проведении исследований для достижения поставленных задач использовались: теория распространения ультразвука в жидких средах; методы цифровой обработки сигналов; методы математического моделирования; статистические методы обработки информации.
Достоверность полученных результатов.
Достоверность полученных результатов основана на использовании современных методов исследования и доказана согласием результатов расчетов с экспериментальными данными.
Научная новизна работы:
Проанализированы метрологические и технико-экономические характеристики существующих и перспективных анализаторов суммарного содержания взвешенных капель нефти и твердых частиц в сточных промысловых водах. Выявлены возможности для улучшения метрологических и технико-экономических характеристик анализаторов и повышения эффективности мониторинга сточной промысловой воды в целом, основанные на применении ультразвукового метода измерения.
Математически смоделирован процесс отражения ультразвуковых колебаний от взвешенных капель нефти и твердых частиц с учетом их физико-химических особенностей. Дано обоснование необходимости применения ультразвукового метода для улучшения метрологических и технико-экономических характеристик анализаторов суммарного содержания взвешенных капель нефти и твердых частиц в сточных промысловых водах.
- Предложен способ автоматизированного измерения на основе излучения
ультразвуковых колебаний в сточную воду со взвешенными веществами и
приеме отраженных ультразвуковых импульсов от взвешенных веществ. Про
анализированы основные составляющие погрешности измерений и проведена
их экспериментальная верификация в условиях реального производства по
суммарному содержанию взвешенных капель нефти и твердых частиц в сточ
ной воде. Разработаны методы минимизации и компенсации основных состав
ляющих погрешностей на основе применения нового алгоритма цифровой об
работки сигналов и использовании в конструкции ультразвукового преобразо
вателя в качестве акустического экрана асбеста - наноматериала естественного
происхождения.
На основе предложенного способа разработана структура устройства измерения суммарного содержания взвешенных капель нефти и твердых частиц в сточной промысловой воде.
На базе разработанной структуры создан принципиально новый анализатор с улучшенными метрологическими и технико-экономическими характеристиками, способный осуществлять непрерывный автоматизированный мониторинг
суммарного содержания взвешенных капель нефти и твердых частиц в потоке сточной воды с погрешностью измерений не более ±15%.
Практическая ценность работы. Совокупность результатов, полученных в процессе выполнения диссертационной работы убедительно доказывает возможность создания поточного анализатора суммарного содержания взвешенных капель нефти и твердых частиц в сточной промысловой воде. Подтверждением этому является разработанный поточный анализатор СТОК-101. Это позволяет улучшить метрологические и технико-экономические характеристики анализаторов и повысить эффективность мониторинга качества сточной промысловой воды в целом.
Внедрение результатов работы. Разработанный поточный анализатор СТОК-101 использовался при выполнении хоздоговорной НИР в структурных подразделениях ОАО «Татнефть» - Нефтегазодобывющие управления (НГДУ) «Лениногорскнефть», «Альеметьевнефть» и «Иркеннефть». Анализатор СТОК-101 прошел государственные и производственные испытания и внедрен в ОАО «Татнефть» в количестве более 60 шт.
Апробация работы. Диссертационная работа, отдельные ее разделы и результаты докладывались и обсуждались на следующих конференциях:
на всероссийской (с международным участием) молодежной научной конференции «XVII Туполевские чтения» (Казань, КГТУ им. Туполева, 26-28 мая, 2009 г).
в международной аэрокосмической школе (Алушта, Крым, Украина, 2009).
на международной научно-технической конференции и молодежной школе-семинаре «Нанотехнологии-2010» (с. Дивноморское, Краснодарский край, Россия).
Публикации. Содержание диссертации опубликовано в 8 работах, в том числе 2 статьи в журналах, рекомендованных ВАК, патент РФ и методика поверки, утвержденная Госстандартом.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Основное содержание диссертационной работы изложено на 120 страницах машинописного текста, иллюстрированного таблицами и рисунками.
