автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Методы и средства улучшения метрологических характеристик датчиков контроля обводненности сырой нефти

На правах рукописи

САМИГУЛЛИН РУСТЕМ РАЗЯПОВИЧ

УДК 681.325.5

МЕТОДЫ И СРЕДСТВА УЛУЧШЕНИЯ МЕТРОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ДАТЧИКОВ КОНТРОЛЯ ОБВОДНЕННОСТИ

СЫРОЙ НЕФТИ

Специальность 05.11.13 — «Приборы и методы контроля природной среды,

веществ, материалов и изделий»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Казань 2005

ч

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

Ведущая организация (предприятие):

Татарский научно-исследовательский и проектный институт нефш (ТатНИПИнефть)

Защита состоится на заседании диссертационного совета Д212.079.04

при Казанском государственном техническом университете им. А.Н. Туполева

« 06 » Марта 2006 г. в в ауд._Института радиоэлектроники и

телекоммуникаций КГТУ им. А.Н.Туполева 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 « ОД » <Р>е.8[заля 2006 г.

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Морозов Олег Геннадьевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Ильин Герман Иванович кандидат технических наук, Садчиков Валерий Викторович

Ученый секретарь диссертационного совета, к.т н., доцент

В.А. Козлов

I. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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, гак 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 эмульсии, затем, 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, С S. Fang, W.J Klaila, N О 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 количественною 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 коли-

-РОС. НАНИПМД nLLrm '

чественного 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 нефти; выявление резервов для улучшения метрологических характеристик датчиков контроля обводненности сырой нефти, построенных на основе микроволновой сепарации сырой нефти на компоненты и видеоизмерения количественного соотношения полученных компонент; определение на этой основе направлений дальнейших научных исследований

• Анализ подсистемы микроволновой сепарации и разработка сепарационных объемов коаксиальной формы для ее усовершенствования; разработка 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 форм; определение 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 нефти; разработка методов и средств уменьшения погрешностей видеоизмерений на основе совершенствования структуры подсистемы формирования изображений и повышения эффективности обработки последних с учетом использования сепарацион-ного объема коаксиальной формы.

• Проектирование и создание на базе разработанных методов и средств, сепарационных датчиков контроля обводненности сырой нефти с улучшенными метрологическими характеристиками; внедрение 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 наук; корректностью используемых математических моделей и их адекватностью реальным физическим процессам; совпадением теоретических результатов с данными экспериментов, результатами исследований других авторов, а также с результатами эксплуатации созданных устройств; экспертизами 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 нефти; определены 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 формы; разработаны математические модели воздействия микроволнового ЭМП на эмульсии типа «вода в нефти» и «нефть в воде» для ограниченных объемов цилиндрической и коаксиальной форм; экспериментально 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 видеоизображений; получены теоретические соотношения для определения выигрыша но 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 существующими; разработаны 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%

Реализация и внедрение результатов работы. Результаты работы, реализованные в виде модулей и лабораторных стендов, математических моделей, данных экспериментальных исследований, методик проектирования и рекомендаций, программно-аппаратных средств, использовались при выполнении хоздоговорных НИР и внедрены в ООО «Сенсор-групп», ООО «Казанское отделение Международной академии связи», в научно-исследовательском и учебном процессе КГТУ им А Н Туполева и КГТУ (КХТИ). Результаты работы также использовались при выполнении госбюджетных НИР по Федеральной научно-технической программе Минобразования РФ «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники на 2002 - 2006 годы» в 2002 - 2004 гг и программе Фонда НИОКР Республики Татарстан «Развитие приоритетных направлений науки в Республике Татарстан на 2001 - 2005 годы» в 2001 -2004 гг.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на: 1-ой Российской конференции молодых ученых по физическому материаловедению, Калуга, 2001 г., 4-ой Всероссийской ПК молодых ученых и аспирантов с международным участием «Новые информационные технологии, разработка и аспекты применения», Таганрог, 2001 г , 4-ой НПК молодых ученых и специалистов Республики Татарстан, Казань, 2001 г, 9-ой Международной НТК «Радиолокация, навигация, связь», Воронеж, 2003 г, 13-ой Международной Крымской конференции «СВЧ-гсхника и телекоммуникационные технологии. КрыМиКо'2003», Севастополь,

Крым, Украина, 2003 г, Международной НК, посвященной 95-летию академика В А Котельникова «Современная радиоэлектроника в ретроспективе идей В А Котельникова», Москва, 2003 г, НПК «Инфокоммуникационные технологии глобального информационного общества», Казань, 2003 г , Всероссийской НТК «Информационно-телекоммуникационные технологии», Сочи, 2004 г, Международной молодежной НК «XII Туполевские чтения», Казань, 2004 г., IV Международной НТК «Физика и технические приложения волновых процессов», Нижний Новгород, 2005 г.

Публикации. По материалам диссертации опубликованы 15 научных работ, в том числе 1 статья и 10 тезисов докладов. Получено 2 патента РФ на полезные модели и 2 положительных решения о выдаче патентов РФ на изобретение и полезную модель.

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.

Основные положения, выносимые на защиту:

• Результаты сравнительного анализа существующих и перспективных сепарационных методов и средств мониторинга обводненности сырой нефти, рекомендации 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 цилиндров; математические модели воздействия микроволнового электромагнитного поля на эмульсии типа «вода в нефти» и «нефть в воде» в ограниченных объемах цилиндрической и коаксиальной форм, результата 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 видсоизмерений и методы для их снижения на основе дополнительного анализа межфазного слоя, структурированного подсвета объекта измерения внутри сепарационно! о объема коаксиальной формы; рекомендации 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 нефги обладающих более высокими точностью и эффективностью определения количественных соотношений компонент по сравнению с существующими и обеспечивающих повышение эффективности мониторинга обводненности сырой нефти в целом, рекомендации по их применению в зависимоеги от требований предъявляемых к ним условиями эксплуатации на различных ступенях иерархии НГДУ

Автор выражает глубокую благодарность Заслуженному деятелю науки и техники Республики Татарстан, академику Татарстанского отделения Академии проблем качества РФ, директору Научно-исследовательского центра прикладной электродинамики КГТУ им А Н Туполева (КАИ), профессору кафедры радиоэлектронных и телекоммуникационных систем КГТУ им А. Н Туполева (КАИ), д т.н Морозову Геннадию Александровичу за научные консультации и всестороннюю поддержку

И. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дана 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 обводненности сырой нефти (СН) и характеристики сепарационных датчиков (СД), используемых для его реализации; определены причины, ограничивающие возможности СД, основанных на применении микроволновой сепарации СН и видеоизмерения количественного соотношения полученных компонент; проанализировано современное состояние работ по созданию методов и средств улучшения метрологических характеристик указанных датчиков и повышения эффективности мониторинга обводненности СН в целом.

К сепарационным методам контроля обводненности СН относятся методы, основанные на гравитационном отстаивании, центрифугировании, тепловой и холодовой обработках, микроволновой и ультразвуковой сепарации, сепарации под воздействием постоянного электрического поля и т.д Для более подробного анализа были выбраны СД, реализующие три наиболее распространенных метода' азеотропной дистилляции (метод Дина-Старка), центрифугирования и микроволновой сепарации. Анализ проводился с учетом особенностей следующих подсистем их структуры: забора и подготовки проб, сепарации, количественного измерения компонент.

Как показал анализ, метод микроволновой сепарации обладает преимуществами перед остальными методами по всем трем подсистемам.

В первую очередь они определяются возможностью полностью автоматизировать процессы забора и подготовки проб, сепарации и количественного анализа. Полная автоматизация процессов в устройствах, реализующих методы Дина-Старка и центрифугирования, сопряжена со значительными трудностями, определенными их конструктивными особенностями

Во вторую очередь преимущества заключаются в обеспечении короткого по длительности процесса сепарации, обеспечивающего с высокой вероятностью 100%-ое разделение СН на компоненты Обеспечивающий близкие по данным показателям характеристики метод центрифугирования имеет существенный недостаток, связанный с трудностью разделения гетерогенных фаз (плотности воды и нефти близки) и требует их предварительного нагрева. С

этой позиции можно отметить комбинированную центрифугу с микроволновым нагревом, которая, однако, сложна в техническом обслуживании и дорога

В третью очередь преимущества метода микроволновой сепарации определяются возможностью использования высокоточной подсистемы количественного анализа, основанной на методе видеоизмерений. Данная подсистема обеспечивает как объективность измерений, так и оперативность получения данных, их высокую точность и простоту ввода в компьютер для дальнейшего анализа и вычисления количественных соотношений компонент сырой нефти.

При анализе основных источников методологических и аппаратурных погрешностей было выявлено, что к недостаткам метода микроволновой сепарации, как развивающегося метода, следует отнести отсутствие полной проработки вопросов, связанных с обеспечением высокого качества процесса микроволновой сепарации СН в присутствии окклюдированного газа и вызванной им же неравномерностью границ раздела между компонентами после сепарации. Кроме того, открытым остается вопрос построения оптического канала, обеспечивающего минимальный уровень засветок и помех при считывании информации о количественном соотношении компонент. Указанные факторы приводят к снижению точности измерений.

Анализ современного состояния работ по созданию методов и средств улучшения метрологических характеристик СД позволил определить следующие пути решения указанных проблем:

- качество микроволновой сепарации с учетом невозможности влияния на физико-химические характеристики СН может быть повышено только путем повышения эффективности взаимодействия ЭМП и СН, в частности, за счет применения новых структур сепарационных объемов, например, коаксиальной формы;

- качество формирования изображений полученных компонент и их обработки с учетом применения новых структур сепарационных объемов может быть повышено путем адаптации к последним систем освещения проб СН и создания методов эффективной первичной обработки изображений, как при использовании одной, так и нескольких телевизионных камер.

Таким образом, в результате исследований, проведенных в первой главе, определены пути улучшения характеристик СД, основанных на использовании микроволновых технологий и технологий видеоизмерений. Сформулированы цель диссертационной работы и перечень основных задач, решение которых необходимо для достижения поставленной цели

Вторая глава посвящена исследованию воздействия микроволновых ЭМП на процесс сепарации эмульсий в ограниченных объемах классической цилиндрической и предложенной коаксиальной форм, содержит их математические модели, результаты математического и физического моделирования.

Гипотеза о повышении качества микроволновой сепарации при использовании сепарационного объема коаксиальной формы основана на возможности согласования его размеров с эффективной глубиной проникновения микроволнового ЭМП заданной частоты в объем пробы с учетом невозможности измене-

иия в значительных пределах размеров рабочей микроволновой камеры и объема репрезентативной пробы СН.

В первом и втором разделах главы приведены результаты математического моделирования воздействия микроволновых ЭМП на диэлектрические структуры в замкнутых сепарационных объемах цилиндрической и коаксиальной форм Целью математического моделирования явилось определение неравномерности теплового нагрева диэлектрика в радиальных сечениях сепарацион-ного объема на разных его высотах при заданной динамике расслоения эмульсии. Знание указанной функции позволяет оценить качество микроволновой сепарации, которое для задач рассматриваемого типа может быть выражено минимальным отклонением температур в диэлектрике в установившемся режиме от заданного распределения температур Тт(г) при заданной подводимой мощности РЖ1а за время 1\

lira T{r)-Tjf)

<а maxi^Osa,, (1)

'1

где 11, oi, а2 - заданные величины.

Энергия электромагнитной волны за счет диэлектрических потерь в СН, представленной многослойным диэлектриком, преобразуется в тепловую энергию, которая определяется мощностью распределенных источников тепла в соответствии с функцией тепловых потерь Q(t,r,(p,z). Для расчета указанной функции на ПЭВМ были смоделированы рабочие микроволновые камеры (рабочие частоты 2450 и 915 МГц) с расположенными внутри их замкнутыми се-парационными объемами цилиндрической и коаксиальных форм Камеры представляют собой многомодовые резонаторы прямоугольной формы с размерами (180x110x320) мм3 и (220x140x400) мм3 соответственно, возбуждение резонаторов - штыревое Согласование многомодового резонатора для частоты 2450 МГц реализовано Е-секториапьным рупором с размером раскрыва в Е-нлоскости 110 мм, в Н-плоскости - 90 мм, выполненным сбоку от осевой линии корпуса на торцевой стенке. Вход рупора оформлен волноводом сечением (90x45) мм2 с внешними размерами 100x150 мм2, к которому подсоединяется микроволновый тракт от генератора Для уменьшения вычислительных затрат компьютерное моделирование проводилось при ограничении, что стенки резонаторов, а также рупора и волноводного тракта выполнены идеально проводящими (о-жр^оо)

Температурное распределение в трехслоистой структуре диэлектрика (модель СН) получали путем решения системы нестационарных двухмерных уравнений теплопроводности методом конечных разностей по явной схеме в двухмерной области (2).

Начальные и граничные условия задавались в виде 7,(0,r,z) = 7„, /,(0./\г) - '/„, /',(о,г,г) - /'„, где 71) - начальная температура трехслоистой структуры диэлектрика.

дГ (1

dt

д27', д2Т,

дг

о-

зт;

дг2 Э2Т,

_ », ЗУ

Эг Г Згг Зг2

+02(/,г,4 />0 ft, <г<й2 ф

+ />0 h2<z<h3

На оси цилиндрического сепарационного объема должно выполняться условие симметрии- дТт/дг\г=0 =0, где т = 1,2,3 На внутренней и внешних границах се-парационных объемов происходит теплообмен с окружающей средой, описываемый следующими уравнениями (3)-(6):

(3) ЧтАкгД^щгДут,), (4)

(5) КЮ^г2,2)=^]Шгг,г)-Т,) (6)

где К], кг - коэффициенты теплообмена на нижней и верхней поверхности трех-слоистой структуры, к3(т) - коэффициент теплообмена на внешней боковой поверхности цилиндра для т - го слоя соответственно, К4(га) - коэффициент теплообмена на внутренней боковой поверхности для коаксиального контрольного резервуара, для т- го слоя соответственно, Гд - температура окружающей среды. На границах между слоями задаются условия непрерывности (7)-(9), а для обеспечения условия устойчивости явной схемы шаг по времени выбирался из условия (10)

Г2(Г,гД)=Г3(Г,гЛ), (7) (8)

дг

Д/<

с р

1 1

Дг2 + Дг2

(10)

Для расчетов были использованы программные пакеты MathLab™7 и CST Microwave Studio™4.1. Электрофизические параметры нефти и воды задавались по усредненным параметрам, характерным для Ромашкинского месторождения, параметры водонефтяной эмульсии определялись по закону Бругге-мана В результате математического моделирования были получены распределения температурного поля для сепарационных объемов цилиндрической и коаксиальной формы с учетом заданной динамики расслоения СН на компоненты и разного времени нагрева. Одна из серий распределений для примера приведена на рис.1, a-d.

Сравнение рис.1,о с рис 1 ,/> и рис.1,с с рис.1// позволяет сделать вывод о более высокой равномерности нагрева диэлектрика, достигаемого в сепарационных объемах коаксиальной формы. При равных нагреваемых объемах, при

одинаковой подводимой мощности и одинаковом времени нагрева разброс тем ператур в радиальных сечениях коаксиального объема в 2-2,5 раза меньше.

Рис 1. Зависимость распределения температуры в сепарационных объемах: цилиндрической (а, с) и коаксиальной (Ь, с1) формы при/=2450 МГц {а,Ь),/=915 МГц (с, с1), время нагрева 10 минут

В третьем разделе главы представлены структурная схема и рекомендации по построению СД с коаксиальным сепарационным объемом, основанного на использовании микроволновой сепарации СН и видеоизмерения их количественных соотношений. Сепарационный объем коаксиальной формы, выполненный в виде объёма ограниченного двумя прямыми полыми цилиндрами разного диаметра, позволил более эффективно сепарировать пробы сырой нефти и увеличить скорость сепарации в 1,2-1,3 раза по сравнению с прототипом. Полученные данные были подтверждены результатами физического моделирования на экспериментальных стендах. Кроме того, эксперименты показали, что формирование сложных границ межфазного раздела из-за наличия в СН окклюдированного газа в случае применения сепарационного объема коаксиальной формы происходит в 2,5-3 раза меньше, чем при использовании объема цилиндрической формы Для экспериментов использовались нефти Новошешминско-го месторождения с высокой концентрацией окклюдированного газа

Таким образом, проведенные во второй главе диссертации теоретические и экспериментальные исследования позволили подтвердить возможность повышения качества микроволновой сепарации при использовании сепарационного объема коаксиальной формы.

В третьей главе на основе результатов, полученных в гл 1 и 2, выделен и рассмотрен ряд основных погрешностей канала видеоизмерения СД контроля обводненности СН, основанных на применении микроволновой сепарации СН и видеоизмерения количественных соотношений полученных компонент

В первой части главы проведен анализ основных погрешностей метода видеоизмерений при случаях идеальной и неидеальной сепарации Так, при случае идеальной или близкой к идеальной сепарации можно определить два варианта считывания информации: по горизонтальным строкам (растр ПЗС-матрицы параллелен границам сепарации) и по вертикальным строкам (растр ПЗС-матрицы перпендикулярен границам сепарации).

Случай анализа по горизонтальным строкам. С методологической точки зрения погрешность измерений, если граница сепарации проходит по середине строки разложения ПЗС-матрицы, будет определяться одной строкой 1/^,, где Ы, - общее число строк растра, приходящееся на 1-ую компоненту (/=н, если эта компонента нефть, /=в, если это вода). С аппаратной точки зрения погрешность определяется характеристиками освещенности контрольного резервуара и фотоприемника. В случае равномерной освещенности резервуара распределение погрешности сравнения случайной освещенности с заданной величиной буде! носить равномерный характер.

Наиболее существенной с точки зрения измерения количественного соотношения компонент воды и нефти является методологическая погрешность. В случае малой обводненности погрешность существенно возрастает в соответствии с зависимостью 1 ¡Иъ. Тогда определение доли воды необходимо производить по количеству строк растра, соответствующего количеству нефти N.. (по негативному видеосигналу), погрешность определения которой составив 1/ЛГ. =1-1/^., причем (ЛГ„ +лг.)/лг =1.

Определим точность регистрации границы «вода-нефть» при требуемой погрешности 1% Если сепарационный объем будет занимать на экране 400 строк, а граница «вода-нефть» одну строку, то регистрация последней в случае 50%-ой СН пройдет с погрешностью 0,5% (1/200) Для повышения точности необходимо выбрать камеру с большим числом строк разложения (в экспериментальном стенде использована камера с числом строк 7=600). Такое число строк практически в 1,5 раза увеличивает точность измерений

Случай анализа по вертикальным строкам В этом случае задача определения погрешности измерения сводится к задаче аналогичной задаче определения погрешности квантования временного интервала в цифровых измерительных устройствах.

Временной интервал 1Х, соответствующей компоненте СН (нефти или воде) измеряется путем счета квантующих импульсов стабильной частоты /„ = 1/7'п , прошедших в счетчик импульсов за время 1Х, причем абсолютная погрешность измерения А/ = Д/( + Д/2 Первая составляющая Л*,, вызванная случайным расположением старт-импульса, всегда находится в пределах о г 0 до Тп и имеет равномерный дифференциальный закон распределения. Вторая составляющая Л<2 ~ погрешность, вызванная случайным расположением стоп-

импульса, дифференциальный чакон распределения которой также равномерный в пределах от - Тп до 0.

Результирующая предельная погрешность Л1т = ±Тп, относительная результирующая предельная погрешность 6т =±Тп/1х - ±1/А'и .

Известны методы снижения результирующей погрешности и среднего квадратического отклонения результирующей погрешности путем синхронизации стартового и квантующих импульсов. В этом случае Лг, = 0, а предельные значения, среднее квадратическое отклонение и систематическая составляющая результирующей погрешности соответственно равны Л/т = ±Тп / 2,

и А/[Д/] = 0. При /„ >12 МГц, поскольку /„=6 МГц относительная результирующая погрешность измерения при 50%-ой СН и перекрытии одной строкой длительностью 60 мкс всего столба СН составит 0,2%. При увеличении частоты выборки в 2 раза - 0,1%.

При случае неидеальной сепарации представленной на рис.2,а для уменьшения погрешности следует дополнительно проанализировать зону видеосигнала, соответствующую межфазному слою (А2-АЗ рис.2,б). По результатам испытаний было определено, что протяженность межфазного слоя зависит от его обводненности. Чем больше нефти в межфазном слое, тем продолжительнее и положе зона межфазного слоя. Чем меньше нефти в межфазном слое, тем зона межфазного слоя короче и круче (граница раздела компонент СН при 100% сепарации на рис.2,б показана пунктирной линией).

Амплитуда видеосигнала 1' по строке А-А

УБ

СГИ. УЧ

I I-у

АО А1 А2

АЗ

А4

б)

Номер пикселя по строке А-А

Границы компонент СН в случае не 100% сепарации а) и соответствующая ей форма видеосигнала б)

В общем случае обводненность межфазного слоя, зарегистрированная как функция изменения интенсивности света но высоте межфазного слоя, определяется по закону Бугера.

В зависимости от случайного характера проявления факторов влияющих на характер границ раздела сред возможны две критические ситуации, это случаи вогнутой и выпуклой поверхности границы сепарации В случае вогнутой поверхности учет неплоского характера границы может быть сведен к случаю определения обводненности межфазного слоя по закону Бугера На рис. 3,а-г

представлены зависимости коэффициента пропускания света от концентрации нефти в бензине. Для моделирования был выбран бензин с растворенной в нем нефтью, потому что указанная эмульсия более устойчива, чем эмульсия нефти с водой. При этом оптические свойства бензина и воды близки, как показано на рис. 3,а-б.

Рис. 3. Спектральные зависимости коэффициента пропускания растворов: а - чистой воды; б - бензина; в - нефти в бензине (50 мг/л); г - нефти в бензине (100 мг/л)

В случае выпуклой поверхности учет неплоского характера границы сепарации может быть произведен по матричному способу анализа пикселей и выполнения условий ижта <;(/„ <0,5ижтт и <11жтах, где

(7ВС - амплитуда видеосигнала. При этом могут быть использованы как одна, так и несколько телевизионных камер (объемный метод анализа).

Во второй части главы описаны разработанные структуры подсистем видеоизмерений для снижения указанных выше погрешностей. Особое внимание уделено адаптации систем освещения к коаксиальной форме сепарационного объема и обеспечению высокой равномерности освещенности.

Использование в СД первого поколения метода заднего света от точечных или распределенных источников, приводило к созданию на изображении компонент СН, полученных после сепарации, значительных бликов и зон «ложной» освещенности, что было обусловлено прохождением света через сложную оптическую систему: передняя стенка сепарационного объема (линза) - проба СН (среда со сложными оптическими свойствами) - задняя стенка сепарационного объема (линза) - объектив видеокамеры. При этом значительная доля световой мощности источника терялась при прохождении собственно пробы Расположение распределенного источника освещения видимого или ближнего ИК-диапазона на дне или вдоль полой части сепарационного объема позволило

практически в 2 раза уменьшить потери света и значительно увеличить равномерность освещенности пробы

Однако и в этом случае повышение точности обработки полутоновых изображений требует значительных вычислительных ресурсов, использование которых в структуре микропроцессорного блока управления СД, нецелесообразно Поэтому в третьей части главы предложено использовать устройство сжатия данных видеоизмерений датчика микроволновой сепарации.

Суть работы устройства заключается в том, что в последовательности кадров, любой кадр можно сформировать, передать в канал связи и принять из него в виде комбинации базовых форматов, представляющих собой последовательность строк, и восстановить с помощью этой комбинации Информация о состоянии точек строк воспроизводимого кадра, формируется, хранится и модифицируется независимо в приемном и передающем устройствах в виде записей Текущее состояние каждой точки видеокадра могут быть заданы функцией изменения значений напряжений яркости из ограниченного набора. Тип функции выбирается для каждой точки экрана по нескольким значениям распределения яркости этой точки в последовательности нескольких кадров. Вид функции задается числом кадров, определяющим интервал действия функции, которая храниться по типам независимо в передающем и приемном устройствах в виде числовых зависимостей приращений первого и второго порядков Значения приращений конкретной функции, выбранной для конкретной точки, используются для модификации текущих значений напряжений этой точки в интервале действия функции.

Моделирование устройства, проведенное на ЭВМ, подтверждает работоспособность и высокую степень сокращения избыточности видеоинформации (до 1000 раз), гибкость построения устройства и возможность его применения в СД для повышения скорости обработки информации в случае анализа сложных границ раздела и неидеальной микроволновой сепарации в сопроцессоре вычислений.

Анализ результатов, представленных в третьей главе, позволяет утверждать, что предложенные методы и устройства повышения однородности формирования освещенности сепарационного объема, а также методы предварительной обработки сложных монохромных и полутоновых изображений, позволяют повысить точность определения количественных соотношений компонент СН на 30% и увеличить оперативность обработки изображений на 25%.

Четвертая глава содержит описание модельного ряда разработанных, апробированных и внедренных модулей для контроля обводненности СН, по- ¡*

строенных на основе использования микроволновой сепарации сырой нефти на компоненты в контрольных резервуарах коаксиальной формы со структурированным подсветом объекта измерения и метода видеоизмерения количественных соотношений полученных компонент

К разработанному модельному ряду относятся модули' • «ДОН-М-2450», предназначенный для автоматизированного мониторинга обводненности СН типа «нефть в воде» в структуре СКВ, ГЗУ, лабораторного комплекса НГ'ДУ и мобильных комплексов типа «УМИ-ОЗНА»;

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

При внедрении модулей получены результаты, подтвердившие результаты теоретических исследований. При этом были обеспечены высокая оенень автоматизации квазипоточного мониторинга обводненности сырой нефти, оперативность (до 10 минут) и точность (погрешность не хуже 1%) определения объемной доли ее компонент Полученные результаты, позволяют обосновать замену существующего лабораторного парка приборов Дина-Старка для определения обводненности нефти на разработанные модули Время анализа пробы объемом 0,5 л, обеспечивающим репрезентативность измерений, в разработанном приборе в 16 раз меньше по сравнению с прибором Дина-Старка при близких погрешностях измерений.

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 подробные результаты математического моделирования воздействия микроволнового ЭМП на СН.

III. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

Главиым результатом диссертационной работы является решение важ ной научно-технической задачи - улучшение метрологических характеристик датчиков контроля обводненности сырой нефти, построенных на основе мик роволновой сепарации эмульсий на компоненты и видеоизмерения количественного соотношения полученных компонент.

Кроме того, получены следующие результаты:

1 Проведен сравнительный анализ существующих и перспективных се-парационных методов и средств мониторинга обводненности сырой нефги, определены 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 формы, разработаны математические модели воздействия микроволнового ЭМП на эмульсии типа «вода в нефти» и «нефть в воде» в ограниченных объемах классической цилиндрической и перспективной коаксиальной форм; теоретически и экспериментально определены оптимальные режимы обработки эмульсий по критерию максимума коэффициента ее сепарации на компоненты для сепарационною объема коаксиальной формы, при 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 тепловою поля в сечении межфазного слоя, повысилось на 15-20%

3. Проанализированы основные погрешности канала видеоизмерений датчиков обводненности сырой нефти и предложены методы для их снижения на основе дополнительного анализа межфазного слоя, структурированного подсвета объекта измерения внутри контрольного резервуара коаксиальной формы в видимом и ИК-диапазоне; для повышения эффективности определения количественных соотношений сырой нефти предложено использовать программно-градиентный метод кодирования и декодирования видеоизображений; показано, 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 об- * водненности сырой нефти, обеспечивающие более высокое качество микроволновой сепарации и определения количественных соотношений компонент

сырой нефти по сравнению с существующими; разработаны рекомендации по их применению в зависимости от требований предъявляемых к ним условиями эксплуатации на различных ступенях НГДУ; результаты 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.

IV. СПИСОК РАБОТ,

ОТРАЖАЮЩИХ ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

1 Морозов Г.А., Морозов О.Г., Самигулпин Р Р, Воробьев Н.Г. Оценка метрологических характеристик автоматизированных микроволновых модулей для анализа состава сырой нефти // Физика волновых процессов и радиотехнические системы. 2004. Том 7. № 1. С 76-78.

2. Самигулпин Р.Р Способ программного градиентного кодирования видеоинформации // 1-я Российская конференция молодых ученых по физическому материаловедению: Тез. докл. Калуга- ИД «Манускрипт», 2001 .С 134.

3 Самигулпин P.P. Способ программно-градиентного кодирования видеоинформации // Новые информационные технологии, разработка и аспекты применения: Тез. докл. 4-й Всерос. НК Таганрог: Изд-во ГГРУ, 2001. С 8.

4. Морозов Г А., Морозов О.Г., Самигулпин Р.Р и др СВЧ-модули контроля обводненности углеводородосодержащих эмульсий // СВЧ-техника и те- /• лекоммуникационные технологии (КрыМиКо'2003)- Матер 13-й Междунар Крымской микроволновой конф. Севастополь: Вебер, 2003 С 217

5 Самигулпин P.P. Способ программно-градиентного кодирования видеоинформации // Радиолокация, навигация, связь' Тез докп 9-й Межд НТК Воронеж ВГУ, 2003. С. 1067.

6. Морозов ОI'., Самигулпин P.P., Миргалиев М Г., Румянцев Д.С Оценка эффективности расслоения водонефтяной эмульсии под воздействием СВЧ //

Современная радиоэлектроника в ретроспективе идей В А. Котельникова: Тез докл. Международ. НК. М.: Изд-во МЭИ, 2003г, с. 51.

7. Морозов О.Г., Самигуллин P.P. Телевизионная измерительная система отбраковки пульпоэкстракторов // ХП Туполевские чтения: Тез. докл. Межд. Молодеж. НК. Казань: Изд-во Казан, гос. техн. ун-та, 2004. Том IV. С. 17-18.

8. Морозов О.Г., Самигуллин P.P., Черкасов Е.В. Погрешности определения координат с помощью GPS-приемника для телевизионной теодолитной системы слежения // XII Туполевские чтения: Тез. докл. Межд. Молодеж. НК. Казань: Изд-во Казан, гос. техн. ун-та, 2004. Том IV. С. 18-19.

9. Гусев В.Ф., Самигуллин P.P. Способ программно-градиентного кодирования видеоинформации // Инфокоммуникационные технологии глобального информационного общества: Труды НПК. М.: Новые технологии, 2004. С. 358.

10. Самигуллин P.P. Функциональные способы сжатия видеоинформации в телевизионных измерительных системах // Информационно-телекоммуникационные технологии: Тез. докл. Веер НТК. М.: Изд-во МЭИ, 2004. С. 193.

11. Самигуллин P.P., ХазиевД.Р. Улучшение метрологических характеристик устройств для анализа состава сырой нефти // Физика и технические приложения волновых процессов: Тез. докл.. IV Междунар НТК. Н.Новгород: НГТУ, 2005. С. 249.

12. U 1 45548 RU 7 G09C 5/00. Устройство кодирования и декодирования видеокадров / Самигуллин P.P., Морозов Г.А. Морозов О.Г., Гусев В.Ф., №2004133876/22; Заявл. 19.11.2004 // Бюллетень ИПМ. 2005. № 13.

13. U 1 48415 RU 7 G01N 33/26. Устройство для анализа состава сырой нефти / Самигуллин P.P., Морозов О.Г., Морозов Г.А. и др., №2005110617/22; Заявл. 11.04.2005 // Бюллетень ИПМ. 2005. № 28.

14. А 1 2004132037/09 RU 7 Н04 7/26, H04N 1/64, Н04М 7/30. Устройство кодирования и декодирования видеокадров / Самигуллин P.P., Морозов Г.А., Морозов О.Г , Гусев В.Ф. Заявл. 02.11.2004 // Положительное решение о выдаче патента на изобретение от 10.11.2005.

15. А I 2005133845/22 RU 7 G 01 N 33/26. Устройство для анализа состава сырой нефти / Морозов Г.А., Морозов О.Г., Самигуллин P.P., Хазиев Д.Р. и др.;'3аявл. 01.11.2005 // Положительное решение о выдаче патента на полезную модель от 28.11.2005.

Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Печ.л. 1,0. Усл.печл. 0,93. Усл.кр.-отт. 0,98. Уч.-изд.л 0,99. _Тираж 100. Заказ И6._

Типография Издательства Казанского государственного технического университета 420111, Казань, К. Маркса, 10

ко. ¿¿¿>64-

»'2871 J^r

г

СПИСОК ПРИНЯТЫХ СОКРАЩЕНИЙ И ОБОЗНАЧЕНИЙ.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. СЕПАРАЦИОННЫЕ МИКРОВОЛНОВЫЕ ДАТЧИКИ ОБВОДНЕННОСТИ НЕФТИ.

1.1. Место микроволновых датчиков контроля обводненности сырой нефти в общей классификации сепарационных измерительных приборов указанного класса.

1.1.1. Сепарационные датчики контроля обводненности сырой нефти.

1.2.1. Подсистема забора и подготовки проб.

1.3.1. Подсистема сепарации.

1.4.1. Подсистема количественного анализа.

1.5.1. Преимущества и недостатки сепарационных микроволновых датчиков.

1.2. Основные источники погрешностей измерений сепарационных микроволновых датчиков обводненности СН.

1.2.1. Погрешности забора проб.

1.2.2. Погрешности микроволновой сепарации.

1.2.3. Погрешности метода видеоизмерений.

1.2.4. Комбинированные погрешности, вызванные особенностями. физико-химического состава компонент СН.

1.2.5. Выводы по разделу.

1.3. Математическое моделирование сверхвысокочастотного нагрева для замкнутого объема.

1.4. Анализ особенностей формирования оптического канала видеоизмерений.

1.5. Выводы по главе. Постановка задач исследований.

ГЛАВА 2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА

МИКРОВОЛНОВОЙ СЕПАРАЦИИ СЫРОЙ НЕФТИ В ЗАМКНУТЫХ ОБЪЕМАХ.

2.1. Математическое моделирование процесса сепарации сырой нефти в замкнутом контрольном объеме цилиндрической формы (трехмерная модель).

2.2. Математическое моделирование процесса сепарации сырой нефти в замкнутом контрольном объеме коаксиальной формы (трехмерная модель).

2.3. Метод контроля обводненности СН на базе микроволновой сепарации ее компонент и видеоизмерения их количественных соотношений.

2.4. Физическое моделирование процесса сепарации СН в замкнутых контрольных резервуарах цилиндрической и коаксиальной форм.

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 эмульсии; затем, 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 нефти; выявление 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 усовершенствования; разработка 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 форм; определение 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 нефти; разработка 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 характеристиками; внедрение 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 наук; корректностью используемых математических моделей и их адекватностью реальным физическим процессам; совпадением теоретических результатов с данными экспериментов, результатами исследований других авторов, а также с результатами эксплуатации созданных устройств; экспертизами 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 нефти; определены 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 формы; разработаны математические модели воздействия микроволнового ЭМП на эмульсии типа «вода в нефти» и «нефть в воде» для ограниченных объемов цилиндрической и коаксиальной форм; экспериментально 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 видеоизображений; получены 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 существующими; разработаны 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 нефти; рекомендации 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 цилиндров; математические модели воздействия микроволнового электромагнитного поля на эмульсии типа «вода в нефти» и «нефть в воде» в ограниченных объемах цилиндрической и коаксиальной форм; результаты 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 формы; рекомендации 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 целом; рекомендации 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 нефти; определены 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 формы; разработаны математические модели воздействия микроволнового ЭМП на эмульсии типа «вода в нефти» и «нефть в воде» в ограниченных объемах классической цилиндрической и перспективной коаксиальной форм; теоретически и экспериментально определены оптимальные режимы обработки эмульсий по критерию максимума коэффициента ее сепарации на компоненты для сепарационного объема коаксиальной формы; при 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-диапазоне; для повышения эффективности определения количественных соотношений сырой нефти предложено использовать программно-градиентный метод кодирования и декодирования видеоизображений; показано, 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 существующими; разработаны рекомендации по их применению в зависимости от требований предъявляемых к ним условиями эксплуатации на различных ступенях НГДУ; результаты 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.

1. Эмульсии. Под редакцией Ф. Шермана. Пер. с англ. Под ред. А. А. Абрамзона. Изд-во «Химия», Л., 1972, 448 с.

2. Chih-Chieh Chan, Yeong-Ching Chen. Demulsification of W/O emulsions by microwave radiatiation. Separation Science and Technology. Vol. 37, issue 15, pp. 3407 3420,10/23/2002. Print ISSN: 0149-6395.

3. F. Caponio, A. Pasqualone, T. Gomes. Effects of conventional and microwave heating on the degradation of olive oil. Eur Food Res Technol. Vol. 215, pp.114-117, 2002.

4. Пюшнер Г. Нагрев энергией сверхвысокочастот. Пер. с англ., -М.: Энергия, 1968.312 с.

5. Рогов И. А, Некрутман С. В. СВЧ нагрев пищевых продуктов. -М.: Агропромиздат, 1986. 351 с.

6. Самигуллин P. P., Морозов Г.А., Морозов О.Г. и др. СВЧ модули контроля обводненности углеродосодержащих эмульсий // СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии (КрыМиКо'2003): Матер. 13-й

7. Междунар. Крымской микроволновой конф. Севастополь, Крым, Украина, 8-18 сентября 2003 г. Севастополь: Вебер, 2003. стр. 217.

8. Тронов В. П. Промысловая подготовка нефти. Казань: «Фэн», 2000. 416 с.

9. Тронов А. В. Технологические процессы и оборудование для подготовки нефтепромысловых вод. М.: ОАО «ВНИИОЭНГ», 2002. 416 с.11 .Глуханов Н. 77. Физические основы высокочастотного нагрева. -JL: Машиностроение, 1989. 56 с.

10. М.Беляков В. Л. Автоматический контроль параметров нефтяных эмульсий. М.: Недра, 1992. 202 с.

11. Жидкие углеводороды и нефтепродукты // Под ред. ШахпароноваМ. И. -М.: Изд-во МГУ, 1989.

12. Ы.Кардаев Г. А. Физические методы интенсификации процессов химической технологии. М.: Химия, 1990. 208 с.15 .ЧелъцовА.В. Измерительные устройства для контроля качества нефтепродуктов. -JI.: Химия, 1981.

13. АхадовЯ. Ю. Диэлектрические свойства чистых жидкостей. М.: «Издательство стандартов», 1972. 412 с.

14. АхадовЯ.Ю. Диэлектрические свойства бинарных растворов. М.: «Наука», 1977. 400 с.

15. СканавиГ. И. Физика диэлектриков. М. JI. 1949.

16. Воробьев Е. А., Михайлов В. Ф., Харитонов А. А. СВЧ диэлектрики в условиях высоких температур. М., 1977.

17. Ругинец Р. Г., БрыковС.И., ЛохаруЭ.Х. Тепловые режимы при сверхвысокочастотном нагреве диэлектриков // ИФЖ. 1990. Т. 59. № 5, стр. 853.

18. Горобец Н. Н., Нестеренко М. В., Попов В. С. Распределение микроволновой мощности, поглощённой неоднородным слоем древесины. Материалы 11-й Международной Крымской конференции, «СВЧ техника и телекоммуникационные технологии» Севастополь, Украина, 2001.

19. Патент ФРГ № 195 09 822 А1 «Система измерения концентрации нефти», G01N 33/26,05.10.1995.

20. Патент США № 5 821 406 «Метод и система измерения сырой нефти», G01N 33/26,13.10.1998.

21. Низкоинтенсивные СВЧ технологии (проблемы и реализации). «Антенны», 2003, вып. 7-8 (73 - 75).

22. Голография. Методы и аппаратура. Под редакцией В. М. Гинзбург и Б. М. Степанова. М.: Сов. Радио, 1974.

23. Седельников Ю. Е., JIaepyuiee В. Н., Мишин А. И. Датчик интенсивности электромагнитного поля. АС СССР № 1659913 от 19.06.1989.21 .Логинов В. И. Обезвоживание и обессоливание нефтей. М.: Химия, 1979. 216 с.

24. Большаков Г. Ф. Восстановление и контроль качества нефтепродуктов. М.: Недра, 1982. 350 с.

25. Иванов Г. В. Инструментальные методы исследования нефти. Новосибирск: Наука, 1987.134 с.

26. Байкова Н. М., Позднышев Г. Н., Мансуров Р. И. Сбор и промысловая подготовка нефти, газа и воды. М.: Недра, 1981. 261 с.

27. Джискут Р. Системы отбора проб сырой нефти: принципы выбора и установки. М.: Транспорт и подготовка нефти, 1999. № 6, стр. 54 56.

28. U 1 23333 RU 7 G01N 33/26. Устройство для анализа состава сырой нефти / Галимов М. Р., Морозов О. Г., Морозов Г. А. и др. №2002101820/20; Заявл. 25.01.2002 //Бюллетень ИПМ. 2002. № 16.

29. С 1 2212664 RU 7 G01N 32/26, 21/59. Способ анализа состава сырой нефти и устройство для его осуществления / Галимов М. Р. , Морозов О. Г., Морозов Г. А. и др. №2002102176/28; Заявл. 25.01.2002 // Бюллетень ИПМ. 2003. № 26.

30. U 1 34253 RU 7 G01N 33/26. Устройство для анализа состава сырой нефти / Галимов М. Р. , Морозов О. Г., Морозов Г. А. и др. (ОАО

31. Шешмаойл»). №2003114691/20; Заявл. 21.05.2003 // Бюллетень ИПМ. 2003. №33.

32. Решение о выдаче патента на изобретение. Способ анализа состава сырой нефти и устройство для его осуществления / ГалилювМ. Р., Морозов О. Г., Морозов Г. А. и др. (ОАО «Шешмаойл»). № 2003114837/09; Заявл. 28.05.2003.

33. Архангельский Ю. С. СВЧ Электротермия. Саратов: Сарат. Гос. техн. университет, 1998. 408 с.

34. Пиотровский Я. Теория измерений для инженеров: Пер. с польск. М.: Мир, 1989. 335 с.

35. Справочные данные: www.eurolab.ru/sprav03.htm#a2, www.alhimik.ru/sprav/tabl 6.htm, fizik.bos.ru/sravka/tab9.htm, www.ciyocatalog.ru/info/teplkoefliq.shtml.

36. Былинкип Г. П., Кувандыков И. Ш. Зависимость объемного коэффициента, коэффициентов сжимаемости, плотности глубокопогруженных пластовых нефтей от давления, температуры, состава и газосодержания. Геология нефти и газа. № 9, 1992.

37. Саяхов Ф. Л., Фатыхов М. А., Кузнецов О. Л. Исследование электромагнитно-акустического воздействия на распределение температуры в нефтеводонасыщенной горной породе. Изв. вузов. Нефть и газ. 1981. №3.

38. Зыонг Н. X., Кутушев А. Г., Нигматулин Р. И. К теории фильтрации жидкости в пористой среде при объемном нагреве высокочастотным электромагнитным полем. //ПММ. 1987. Т. 51, вып. 1.

39. Зыонг Н. X, Мусаев Н. Д., Нигматулин Р. И. Автомодельные решения задачи тепло- и массопереноса в насыщенной пористой среде с объёмным источником тепла. // ПММ. 1987. Т.51, вып. 6.

40. Кислицын А. А., Нигматулин Р. И. Численное моделирование нагрева нефтяного пласта высокочастотным электромагнитным излучением // ПМТФ. 1990. №4.

41. Хабибуллин И. JI. Нелинейные эффекты при нагреве сред электромагнитным излучением // ИФЖ. 2000. Т. 73. № 4, стр. 832 838.

42. Нетушип А. В., Жуховицкий Б. Я., Кудин В. Н., Парии Е. Н. Высокочастотных нагрев диэлектриков и полупроводников. — Л., 1959.

43. Кислицын А. А. Численное моделирование прогрева и фильтрации нефти в пласте под действием высокочастотного электромагнитного излучения //ПМТФ. № 3. 1993, <лр. 97 103.

44. Кислицын А. А. Численное моделирование высокочастотного электромагнитного прогрева диэлектрической пробки, заполняющей трубу // ПМТФ. 1996. Т. 37. № 3, стр. 75 31.

45. Хабибуллин И. JI., Назмутдинов Ф. Ф. Особенности динамики нагрева движущихся сред электромагнитным излучением. // ИФЖ. 2000. Т. 73. №5.

46. Афанасьев А. М., Подгорный В. В., Сипливый К. Н., Яцышен В. В. Математическое моделирование взаимодействия СВЧ излучения с влагосодержащими плоскими слоистыми средами. Ч. 1 Изв. вузов. Электромеханика. 2001. № 2, стр. 14 21.

47. Афанасьев А. М., Подгорный В. В., Сипливый К. Н., Яцышен В. В Математическое моделирование в взаимодействия СВЧ излучения с влагосодержащими плоскими слоистыми средами. Ч. 2. Численный расчёт. Изв. вузов. Электромеханика. 2001. № 4 5, стр. 32 - 38.

48. Ругинец Р. Г., Килькеев Р. Ш. Локализация тепловыделения в диэлектрике при воздействии СВЧ электромагнитного поля. // ИФЖ. 1989. Т. 56. №4.

49. Степанов В. В. Оптимизация равномерного распределения СВЧ энергии в частично заполненном резонаторе. Материалы 10-й Международной Крымской конференции, «СВЧ техника и телекоммуникационные технологии» Севастополь, Украина, 2000.

50. Аглиуллин А. Ф., Седельников Ю. Е. Проектирование микроволновых технологических комплексов на основе вероятностных подходов. Материалы Международной Крымской конференции, «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии». Севастополь. 10-14 сентября2001.

51. Копусов В. Н., Швыркин Н. В. К вопросу создания многомагнетронного микроволнового оборудования для современных технологий. Материалы 11-й Международной Крымской конференции, «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии». Севастополь. Украина. 2001.

52. Авторское свидетельство СССР № 1170334, Кл. G01N 22/00, 1985. Способ микроволновой обработки биологической среды.

53. Патент США N 4471192, Кл. Р 26В 23/08, 1984., патент Англии N1163231, Кл. Н 05В 6/64. Способ термообработки материалов и изделий в электромагнитном СВЧ полем и устройство для его осуществления.

54. Дэю. А. Стреттон. Теория электромагнетизма. М., ОГИЗ, 1948.

55. Некрасов JI. Б., Рикенглаз Л. Э. К теории адиабатического нагрева СВЧ полем диэлектрика с коэффициентом затухания, зависящим от температуры. ЖТФ, 43 (694), 1973.

56. Рикенглаз Л. Э. К теории распространения СВЧ электромагнитных полей в диэлектриках с малыми потерями. ЖТФ, 44,1125,1974.

57. Рикенглаз Л. Э. К теории нагрева диэлектриков мощными электромагнитными полями. ИФЖ, 27 (1061), 1974.

58. Рикенглаз Л. Э., Хоминский В. А. О применимости метода ВКБ к расчёту нагрева в электромагнитном поле диэлектриков с параметрами, зависящими от температуры. ЖТФ, 43 (694), 1973.

59. Системы технического зрения (принципиальные основы, аппаратное и математическое обеспечение) // Под общ. ред. А. Н. Писаревского, А. Ф. Чернявского. Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1988.-424 с.

60. Петров А. А. Алгоритмическое обеспечение информационно-управляющих систем адаптивных роботов (алгоритмы технического зрения) // Итоги науки и техники. Техническая кибернетика. М., 1984, т. 17. спр. 251-294.

61. Тронов В. П. Прогрессивные технологические процессы в добыче нефти. Казань: «Фэн», 1996. 308 с.

62. Дульнев Г. К, Парфенов В. Г., Сиголов А. В. Применение ЭВМ для решения задач теплообмена. М., Высшая школа, 1990. 207 с.

63. U 1 48415 RU 7 G01N 33/26. Устройство для анализа состава сырой нефти / Самигуллин P.P., Морозов О.Г., Морозов Г.А. и др., №2005110617/22; Заявл. 11.04.2005 // Бюллетень ИПМ. 2005. № 28.

64. А 1 2005133845/22 RU 7 G 01 N 33/26. Устройство для анализа состава сырой нефти / Морозов Г.А., Морозов О.Г., Самигуллин P.P., Хазиев Д.Р. и др.; Заявл. 01.11.2005 // Положительное решение о выдаче патента на полезную модель от 28.11.2005.

65. Бажов Н.М. Позднышев Г.Н., Мансуров Р.И. Сбор и промысловая подготовка нефти, газа и воды. М.: Недра, 1981

66. Межд. Молодеж. НК. Казань: Изд-во Казан, гос. техн. ун-та, 2004. Том IV. С. 17-18.

67. Денисов Д. А., Низовкин В. А. Сегментация изображений на ЭВМ // Зарубежная радиоэлектроника, 1985, № 10. с. 3-30.

68. Розенфелъд А. Распознавание изображений // ТИИЭР, 1981, т. 69, № 5. с.120-133.

69. Самигуллин P.P. Функциональные способы сжатия видеоинформации в телевизионных измерительных системах // Информационнотелекоммуникационные технологии: Тез. докл. Веер. НТК. М.: Изд-во МЭИ, 2004. С. 193.

70. U 1 45548 RU 7 G09C 5/00. Устройство кодирования и декодирования видеокадров / Самигуллин P.P., Морозов Г.А. Морозов О.Г., Гусев В.Ф., №2004133876/22; Заявл. 19.11.2004 // Бюллетень ИПМ. 2005. № 13.

71. URL: www.atmel.com/literature), 349 c.

72. Гмурман В. E. Теория вероятностей и математическая статистика. Учеб. Пособие для втузов. Изд. 5-е, перераб. И доп. М., «Высш. школа», 1977, 479 с.

73. САМИГУЛЛИН РУСТЕМ РАЗЯПОВИЧ1. УДК 681.325.5

74. МЕТОДЫ И СРЕДСТВА УЛУЧШЕНИЯ МЕТРОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ДАТЧИКОВ КОНТРОЛЯ ОБВОДНЕННОСТИ1. СЫРОЙ НЕФТИ

75. Специальность 05.11.13 «Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий»