Содержание к диссертации
Введение
1 Свойства нефти и методы воздействия на них
1.1 Состав и свойства нефти и их влияние на процессы нефтепереработки и нефтехимии 7
1.2 Подготовка нефти в промысловых условиях 15
2 Исследование воздействия на скважинную продукцию магнитным полем 25
2.1 Воздействие магнитного поля на АСПО 25
2.2. Воздействие магнитного поля на образование отложений неорганических солей 30
2.3 Воздействие магнитного поля на водонефтяные эмульсии 35
2.4 Исследования воздействия магнитного поля на коррозионную активность промысловых жидкостей 53
3 Экспериментальные и математические методы исследования 63
3.1 Осуществление магнитного воздействия на скважинную продукцию 63
3.2 Оценка влияния магнитного поля на водонефтяные эмульсии 64
3.3 Оценка влияния магнитного поля на кристаллизацию солей 64
3.4 Исследование влияния магнитной обработки на коррозионную активность скважиной продукции 66
3.5 Вероятностно-статистические методы теории принятия решений для обработки результатов экспериментов 66
4 Оценка перспективности воздействия на жидкости магнитным полем 75
4.1 Разработка аппаратов магнитной обработки 75
4.2 Анализ динамики патентования устройств магнитной обработки 98
4.3 Спектрально-корреляционный анализ динамики патентования 101
4.4 Оценка динамики патентования устройств магнитной обработки жидкостей с применением коэффициента Джини 104
Выводы 110
- Подготовка нефти в промысловых условиях
- Воздействие магнитного поля на водонефтяные эмульсии
- Оценка влияния магнитного поля на водонефтяные эмульсии
- Анализ динамики патентования устройств магнитной обработки
Введение к работе
Параметры и результаты технологических процессов нефтепереработки и нефтехимии определяются качеством поступающего на переработку углеводородного сырья, что, в свою очередь, напрямую зависит от эффективности используемых методов его подготовки и очистки. Современный этап развития химии и технологии углеводородов характеризуется прогрессирующим ухудшением свойств и качества перерабатываемых нефтей из-за увеличения обводненности, коррозионной агрессивности, содержания серы, солей и пр. В этой связи снижение влияния указанных негативных факторов на разделение и трансформации углеводородного сырья является одним из приоритетных направлений науки и техники.
В технологических процессах подготовки сырья для нефтепереработки и нефтехимии используются химические реагенты различного назначения, но в осложненных условиях традиционные химические методы и стандартные технологии во многих случаях оказываются недостаточно эффективными. Наряду с химическими используется ряд физических методов воздействия на нефть и водно-органические смеси, в том числе и обработка их магнитным полем, что позволяет в ряде случаев улучшить их свойства и облегчить разделение.
При достаточно широком практическом применении методов магнитной обработки жидкостей на сегодняшний день отсутствует общепринятая теория, поясняющая механизм воздействия магнитного поля на водно-органические (углеводородные) дисперсные системы. В связи с этим актуальным представляется исследование магнитной обработки жидкостей как способа подготовки углеводородного сырья к дальнейшей переработке, анализа разработки и совершенствования технических средств для магнитной обработки и оценки целесообразности и перспективности ее дальнейшего развития.
Целью работы являются исследование воздействия магнитной обработки на свойства нефтяного сырья для нефтепереработки и нефтехимии и комплексная оценка развития и перспективности дальнейшего применения магнитной обработки в технологии нефти и нефтехимии.
Основные задачи исследования: изучение механизма влияния магнитной обработки на свойства углеводородного сырья; экспериментальное определение оптимальных параметров совместного воздействия на углеводородное сырье химическими реагентами и магнитным полем; выявление основных тенденций и закономерностей разработки технологий и технических средств для магнитной обработки; оценка развития магнитной обработки как способа воздействия на сырую нефть и определение наиболее перспективных направлений совершенствования технических средств магнитной обработки и технологий их применения.
Научная новизна.
Впервые проведено изучение механизма магнитной обработки как способа совершенствования процессов подготовки и очистки нефти и нефтепродуктов.
Обоснована целесообразность и эффективность совместного применения химических реагентов и магнитной обработки.
Впервые для оценки перспективности направлений совершенствования технологий магнитной обработки путем анализа патентной информации использован статистический критерий — коэффициент Джини, с помощью которого установлено наиболее перспективное направление совершенствования аппаратов магнитной обработки водно-органических смесей - наземный аппарат на основе постоянных магнитов.
Практическая значимость заключается в том, что материалы исследований используются ООО «Инжиниринговая компания "ИНКОМП-нефть"» при разработке технических средств магнитной обработки и 000 «Институт "Уралсибнефтепроект"» для обоснования включения установок магнитной обработки в проектную документацию по созданию нефтехимических комплексов.
Апробация работы.
Основные положения диссертации докладывались: на научно-практической конференции «Промышленная экология. Проблемы и перспективы» (Уфа, 2001г.); II Международной научной конференции «История науки и техники», (Уфа, 2001г.); научно-практической конференции «Энергоресурсосбережение в РБ» (Уфа, 2001г.); II Международной научно-технической конференции «Наука, образование, производство в решении экологических проблем» (Уфа, 2001г.); XV Международной научно-технической конференции «Реактив-2002» (Уфа, 2002 г.); IV Международной научно-технической конференции «Информационные технологии в инновационных проектах» (Ижевск, 2003 г.); 55-й научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых УГНТУ (Уфа, 2004 г.); II научной конференции «Приоритетные направления развития науки, технологий и техники» (Египет, Шарм-эль-Шейх, 2004 г.).
Структура и объем работы.
Диссертация состоит из четырех глав, основных выводов, библиографического списка из 406 наименований, содержит 156 страниц машинописного текста, в том числе 44 рисунка, 29 таблиц, 2 приложения.
Публикации. Содержание диссертации изложено в 16 научных публикациях, в том числе 4 монографиях, 6 статьях, тезисах шести докладов.
Подготовка нефти в промысловых условиях
Современный технологический процесс добычи нефти можно условно разбить на несколько основных звеньев [91-129]. Практически в каждом звене возможно осуществление воздействия на промысловые жидкости с целью изменения их физических свойств. Основным методом воздействия традиционно является химический, т.е. обработка жидкостей химическими реагентами различного назначения - деэмульгаторами, ингибиторами коррозии, парафино- и солеотложений, бактерицидами и пр. Но использование химических реагентов не всегда обеспечивает полное решение поставленных задач. В таких случаях необходимо либо увеличить концентрацию реагента, либо применить другие способы повьппения эффективности химического воздействия на промысловые жидкости. Одним из наиболее известных способов является совместное воздействие на промысловые жидкости химическим реагентом и магнитным полем. На рис. 1.1 рассмотрена схема совместного воздействия наиболее распространенными химическими реагентами и магнитным полем на промысловые жидкости в процессах добычи и промысловой подготовки нефти. Из продуктивного пласта водогазонефтяная смесь поступает в скважину. В стволе скважины на смесь можно воздействовать следующими методами: - химическим (ввод деэмульгатора, ингибитора коррозии, парафино- и солеотложений) для снижения коррозионной активности смеси и предотвращения эмульсеобразования; - магнитным (использование скважинной установки магнитной обработки жидкости на основе постоянных магнитов, установленной ниже скважинного насоса, либо в колонне НКТ ниже точки начала выпадения АСПО) для предотвращения образования стойких эмульсий и отложений солей и АСПО, снижения коррозионной активности жидкости, улучшения ее реологических свойств; - совместным магнитно-химическим (использование скважинной установки магнитной обработки жидкости совместно, с подачей реагентов) для повышения эффективности реагентов и достижения вышеперечисленных целей со значительно меньшими материальными затратами. На устье скважины также возможна обработка водогазонефтяной смеси всеми тремя методами (возможно использование электромагнитной установки).
Из скважины водогазонефтяная смесь по выкидному трубопроводу поступает на автоматическую групповую замерную установку (АГЗУ). Во время перекачки смесь обрабатывается магнитным полем посредством установки на основе постоянных магнитов. На АГЗУ смесь может быть подвергнута как химической (деэмульгатор, ингибитора коррозии) или магнитной (установка на электромагнитах) обработке, так и совместному магнито-химическому воздействию. Далее по нефтегазосборному трубопроводу смесь поступает на дожимную насосную станцию (ДНС), где также может быть также обработана химическими, магнитными или магнито-химическими методами воздействия на свойства жидкостей, после чего по промысловому нефтепроводу поступает на установку подготовки нефти (УПН). После обезвоживания, обессоливания, дегазации и других технологических операций (в т.ч. химической (деэмульгатор, ингибитора коррозии), магнитной (электромагнитная установка) или магнито-химической обработки, производимой для повышения эффективности подготовки нефти) из УПН нефть уходит по нефтепроводу на центральный пункт сбора (ЦПС). Газ, в зависимости от его свойств, по газопроводу отправляется на переработку, используется как топливо для собственных нужд промысла, либо утилизируется. Вода из УПН по низконапорному водоводу, подвергаясь воздействию магнитного поля постоянных магнитов для снижения коррозионной активности, повышения эффективности удаления механических примесей за счет их укрупнения (коагуляции) и дальнейшего фильтрования и отстоя, поступает на установку подготовки воды (УПВ). На УПВ осуществляется очистка воды от мехпримесей и нефтепродуктов, химическая обработка (ингибирование) и т.д., и также возможно воздействие на воду магнитным полем как постоянных, так и электромагнитов. Кроме сточной воды с УПН, на УПВ по низконапорному водоводу поступает вода из источника. Как при заборе воды из источника, так и при ее перекачке по низконапорному водоводу возможна ее обработка посредством установки на основе постоянных магнитов с целью коагуляции ферромагнитных механических примесей. Таким же образом обрабатывается вода, поступающая с УПВ по низконапорному водоводу на УПН, где используется для обессоливания нефти, и вода, поступающая с УПВ по низконапорному водоводу на кустовую насосную станцию (КНС). На КНС с целью снижения коррозионной активности вода обрабатывается химически методом (ингибитор коррозии), также возможна ее магнитная (электромагнит) или магнито-химическая обработка для повышения эффективности действия ингибитора. С КНС по высоконапорному водоводу вода поступает в нагнетательную скважину, где обрабатывается магнитным полем постоянных магнитов, после чего закачивается в продуктивный пласт. Выбор точек ввода реагентов и установки аппаратов магнитной обработки обусловлен технологической схемой промысла, составом и свойствами добываемой продукции, материалом и возрастом трубопроводных коммуникаций.
Несмотря на достаточный объем проведенных исследований [28-36, 38-80], общепринятой теории влияния магнитного поля на водно-дисперсные системы на сегодняшний день не существует. В 1978 г. В.Н. Классен предложил объединить существующие гипотезы в три группы: /. Магнитное поле воздействует собственно на воду. Это влияние, с одной стороны, может вызвать изменения в агрегации молекул воды, с другой — нарушить ориентацию ядерных спинов водорода в молекулах. Изменение физических свойств воды — структуры, плотности, поверхностного натяжения, вязкости и др. - при воздействии магнитного поля зависит от магнитной восприимчивости воды и содержащихся в ней ионов. 2. Магнитное поле воздействует на ионы солей, присутствующих в воде. Под влиянием магнитного поля происходят поляризация ионов и их деформация, сопровождающиеся уменьшением их сольватации, что повышает вероятность их сближения и в конечном итоге образования центров кристаллизации. 3. Магнитное поле воздействует на примеси воды, находящиеся в коллоидном состоянии. Снижение активности воды отражается на растворимости солей, ухудшает смачивание поверхности частиц. Изменение свойств раствора после обработки не является однозначным и требует выяснения в каждом конкретном случае. В целом воздействие магнитного поля на воду затрудняет гидролиз и диссоциацию солей, изменяет рН. Ивановым Т.Ф. проводились опыты по разделению эмульсий в неоднородном магнитном поле при помощи «собирания» капель воды в определенных участках поля, в которых, в результате тесного соприкосновения, эти капли будут коагулировать. Если магнитная восприимчивость воды выше восприимчивости нефти, то при внесении такой эмульсии в неоднородное магнитное поле капельки концентрируются в областях, где значение напряженности магнитного поля максимально. Магнитную восприимчивость диспергированной воды можно повысить добавлением в эмульсию водного раствора закисной соли железа с добавкой водного раствора едкого натра. Гидратированная закись железа сравнительно равномерно распределяется в эмульгированной воде, и при внесении в неоднородное магнитное поле капельки оказываются ферромагнитными [36]. Шабалиным А.Ф., Гальпериным Н.И., Айнштейном В.Г., Квашой В.Б. , Батунером Л.М., Позиным М.Е. обнаружено было уменьшение концентрации кислорода в растворе, что можно объяснить возникновением и существованием метастабильных клатратных структур. Ион кальция, находящийся в воде, образует гексааквакомплекс [СаЩгОб)] , который под действием магнитного поля заполняет клатратные структуры и тем обусловливает их стабильность. То же может происходить и с растворенными в воде газами - диоксидом углерода и кислорода, в связи с чем их концентрация снижается. В период образования таких систем облегчается образование защитного ферромагнитного слоя на железе [37-39].
Воздействие магнитного поля на водонефтяные эмульсии
Эмульсию образуют нефть и вода - взаимно нерастворимые жидкости. Теоретически, водонефтяная эмульсия - неустойчивая система, тяготеющая к образованию минимальной поверхности раздела фаз, то есть, к расслоению. Фактически же образуются устойчивые эмульсии. Устойчивость водонефтяных эмульсий в значительной степени определяет технологию их дальнейшей обработки, а также возможную полноту отделения водной фазы от нефти. Изначально эмульсия представляет собой субстанцию класса «нефть в воде» или «вода в нефти», причем на границах раздела фаз образуются так называемые «бронирующие оболочки», предотвращающие саморазрушение эмульсии. Молекулы деэмульгатора, адсорбируясь на поверхности раздела фаз, вытесняют менее поверхностно-активные природные эмульгаторы. Однако, хотя пленка, образуемая деэмульгатором, обладает малой прочностью, действия сил тяжести недостаточно для обеспечения быстрого осаждения и коалесценции мелких капелек. При этом для ускорения процесса адсорбционного замещения можно использовать; повышение температуры отстаиваемой эмульсии. Однако это решение не всегда является приемлемым и реализуемым. Решить эту проблему позволяет магнитная обработка эмульсии. Применение магнитного поля вызывает поляризацию капелек воды и их взаимное притяжение, что приводит к значительному ускорению коагуляции и коалесценции капель воды (рис.2.3) и их быстрому отстою. Наиболее эффективна магнитная обработка эмульсии после добавления в нее деэмульгатора. В 2001 г. проведены были лабораторные испытания воздействия магнитного поля на разрушение водонефтяных эмульсий месторождений ТІ 111 «Когалымнефтегаз» [87]. Обводненность эмульсии Южно-Ягунского месторождения в среднем 56-70 %, Ватьеганского - 56-71 %. Обработка эмульсии проводилась однократно путем пропускания эмульсии из делительной воронки через индуктор экспериментального стенда. Затем эмульсия перемешивалась в емкости в течение 2 минут и ставилась на отстой при комнатной температуре со снятием показаний степени разрушенности через 15, 30, 60 и 120 минут. Для каждого опыта брали 100 мл эмульсии. Эффективность магнитной обработки оценивалась по величине деэмульгирующего эффекта в обработанных и необработанных пробах в соответствии с ASTM D-1401.
Магнитная обработка знакопеременным полем с частотами 30-70 Гц увеличивает глубину обезвоживания эмульсии на 10-12 %. Таким образом, для разрушения водонефтяных эмульсий предпочтительней использование переменного магнитного поля. В дальнейшем исследования были направлены на оценку эффективности магнитной обработки совместно с традиционно применяемыми химическими реагентами - деэмульгаторами. Для разрушения эмульсий Ватьеганского и Южно-Ягунского месторождений использовали деэмульгаторы ХПД-005 и Союз-А с удельным расходом 40 г/т. Величина удельного расхода выбрана аналогично применяемым расходам на практике при подготовке нефти. Результаты исследования при обработке эмульсии Ватьеганского месторождения совместно с реагентом ХПД-005 (рис. 2.4) свидетельствуют, что наиболее высокий результат получен при обработке водонефтяной эмульсии магнитным полем с импульсной формой изменения напряженности и частотой 30-60 Гц. С целью снижения расхода деэмульгатора как одного из самых дорогостоящих реагентов, оценивали эффективность реагента ХПД в зависимости от его удельного расхода при воздействии переменного магнитного поля частотой 30 Гц со знакопеременной формой изменения напряженности (рис. 2.5). Эффективность оценивали по увеличению водоотделения за счет магнитной обработки. Магнитная обработка способствует увеличению количества выделившейся воды из нефти при снижении удельного расхода деэмульгатора. При этом наилучший результат (до 50 %) наблюдается при низких значениях удельного расхода деэмульгатора (20-30 г/т нефти). При концентрации 50 г/т нефти происходит гораздо меньшее повышение водоотделения (10-30 %). Эффективность деэмульгатора ХПД без магнитной обработки при 40 г/т нефти составляет 68 %. После магнитной обработки эффективность деэмульгатора составила 89 % (водоотделение при этом увеличилось на 55 %). Исследования влияния магнитной обработки на время расслоения и динамики отстоя водонефтяных эмульсий Вятской площади Арланского месторождения НГДУ «Арланнефть» 40 и 50 Гц. Форма изменения напряженности магнитного поля -знакопеременная. Для проб №№ 1 и 2 использовали деэмульгатор СНПХ-4410 (удельный расход 30, 40 и 100 г/т нефти), для проб №№ 3 и 4 - деэмульгатор СНПХ-4705 (удельный расход 60-100 г/т нефти). Дозирование деэмульгатора производилось до обработки эмульсии. Замеры проводились по методу «bottleest» при температуре 7 С (пробы №№ 1 и 2) и 17 С (пробы №№ 3 и 4). При частоте магнитного поля 30 Гц наблюдается повышение деэмульгирующего эффекта реагента СНПХ-4705 (100 г/т нефти). Испытания по снижению удельного расхода деэмульгатора СНПХ-4705 при использовании магнитной обработки на пробе № 4 (результаты в табл. 2.16) показали, что расход деэмульгатора СНПХ-4705 может быть снижен на 20 % при сохранении динамики отстоя. Таким образом, при магнитной обработке обводненность нефтяной фазы дополнительно снижается на 4-5 % (отстой воды через 3 часа составил 41 % без обработки и 45 % при магнитной обработке на пробе № 1, 45 % без обработки и 52 % после обработки на пробе № 2). Средняя скорость расслоения увеличивается на 50 % (время максимального расслоения без магнитной обработки - 3 часа, при обработке - 1,5 часа, а отстой водной фазы за 30 минут составил 4 и 7 % соответственно на пробе № 1).
Проведены также лабораторные испытания влияния магнитной обработки на остаточную обводненность нефтяного слоя. Магнитная обработка осуществлялась переменными и постоянными магнитными полями. Переменное магнитное поле индуцировалось соленоидом от источника питания напряжением 220 В с частотой 16 Гц. Переменные магнитные поля имели два направления: перпендикулярно потоку жидкости (Тип 1) и вдоль потока жидкости (Тип 2). Постоянное магнитное поле создавалось парами постоянных магнитов. Воздействие, в зависимости от расположения магнитов, можно разделить на 4 типа: N-S - магниты расположены перпендикулярно потоку, N-N - магниты расположены перпендикулярно потоку, N-S - магниты расположены параллельно потоку, N-N - магниты расположены параллельно потоку. Максимальная напряженность переменного и постоянного магнитных полей составляла 8-Ю3 А/м. Определение остаточной обводненности нефтяного слоя проводили в соответствии с ГОСТ 2477-65, вязкости - ГОСТ 33-82. Исследовались водонефтяные эмульсии третьего промысла (Волково) НГДУ «Уфанефть» [89] (обводненность 15,6 %, вязкость 5400 сСт) и второго промысла (Юлдуз) НГДУ «Чекмагушнефть» АНК «Башнефть» [88] (обводненность 23,8 %, вязкость 1450 сСт). Отбор проб для определения остаточного содержания воды и вязкости водонефтяной эмульсии выполняли на скважине при отключенной подаче деэмульгаторов. Испытания проводили непосредственно на промысле с использованием реактора, который представляет собой воронку для залива эмульсии, стеклянную трубку диаметром 8 мм длиной 500 мм. На трубке смонтированы либо соленоиды для обработки переменным магнитным полем, либо постоянные магниты для создания постоянного магнитного поля. После однократного прохождения эмульсии через реактор она сливается в делительную воронку. Обработанная эмульсия в делительной воронке устанавливалась на отстой в течение 20 мин при температуре 18 — 20 С. Вязкость эмульсии измеряли сразу после прохождения ею реактора. Результаты испытаний приведены в таблице 2.17. Анализируя данные, представленные в таблице 2.17, можно отметить, что применение магнитной обработки для процессов деэмульсации нефти имеет положительное значение, а именно существенно снижается содержание остаточной воды в нефтяной фазе и вязкость нефтяного слоя. При этом максимальная эффективность достигается при магнитной обработке переменным магнитным полем. Таким образом, проведенные испытания позволяют сделать вывод, что деэмульсацию водонефтяных эмульсий необходимо проводить с использованием обработки переменным магнитным полем.
Оценка влияния магнитного поля на водонефтяные эмульсии
Исследования воздействия магнитного поля на водонефтяные эмульсии проводились в соответствии с ASTM D-1401. Обработка эмульсии проводилась однократно путем пропускания эмульсии из делительной воронки через индуктор экспериментального стенда. Затем эмульсия перемешивалась в емкости в течение 2 минут и ставилась на отстой при комнатной температуре со снятием показаний степени разрушенности через 15, 30, 60 и 120 минут. Для каждого опыта брали 100 мл эмульсии. 3.3 Оценка влияния магнитного поля на кристаллизацию солей Исследования проводились в соответствии с методикой, разработанной в УГНТУ. Методика основана на сравнении размеров и формы кристаллов хлористого натрия, выделившихся из необработанной и обработанной магнитным полем жидкости. Для анализа отмеряли по 150 мл обработанного и необработанного магнитным полем насыщенного водного раствора соли в химические стаканы емкостью 200-300 мл и упаривали до уменьшения объема в 2 раза на электроплитке в строго идентичных термобарических условиях. Содержимое стаканов охлаждали до комнатной температуры, отфильтровывали выпавшую в осадок соль и оценивали форму и размер ее кристаллов с использованием микроскопа типа «Микмед-1-0» и сит лабораторных ЛО 251-1. С целью установления характера и интенсивности коррозионных процессов, в лабораторных условиях определяли скорость коррозии металла образцов из углеродистой стали 20. Лабораторные испытания выполняли гравиметрическим методом в U-образной ячейке (рис. 3.2). согласно ГОСТ 9.506-87 и ГОСТ 9.502-82. Оценка коррозионной агрессивности сред проводилась гравиметрическим методом (ГОСТ 9.502-82, ГОСТ 9.506-87), суть которого заключается в определении потери массы металлических образцов за время их пребывания в испытуемой среде. Подготовленные образцы помещались в U-образные гравиметрические ячейки с обработанной и необработанной магнитным полем исследуемой средой. При гравиметрическом методе скорость коррозии характеризуется массовым показателем Кт (г/м -час). Также использовался электрохимический метод линейной поляризации (РД 39-3-611-81). Данный метод основан на принципе Штерна-Гири, полученном теоретически, путем дифференцирования уравнения поляризационной кривой вблизи стационарного потенциала коррозии (ДЕ 10-20 мВ). Данный метод реализован в коррозиметре «Моникор-2М» посредством которого и проводились коррозионные испытания. 3.5 Вероятностно-статистические методы теории принятия решений для обработки результатов экспериментов Современная промышленность производит широкий ассортимент химических реагентов. Выбор подходящего реагента и технологии его использования совместно с магнитным воздействием достаточно сложен.
Для выбора предлагается использовать вероятностно-статистические методы теории принятия решений [103, 130]. Критерий принятия решений - это функция, выражающая предпочтения лица принимающего решения и определяющая правило, по которому выбирается приемлемый или оптимальный вариант решения. Задача принятия решений возникает тогда, когда возникает несколько конкурирующих вариантов решения. В противном случае ситуация предопределена. Варианты решений возникают в результате анализа проблемной ситуации, представленной в виде описательной модели. В классическом случае описание ситуации дается в виде матрицы, строки которой соответствуют вариантам решений, а столбцы - факторам, которые могут повлиять на результат. На пересечении столбцов и строк расположены соответствующие реализации решений. Рассмотрим простейший случай одностолбцовой матрицы. Предположим, что у нас имеются варианты решений Е\, Е2,..., Еп, которые характеризуются некоторым результатом е,-.. Нам необходимо найти тах(е,). Это правило выбора читается следующим образом: множество Е0 оптимальных вариантов состоит из тех вариантов Eh которые принадлежат множеству Е всех вариантов и оценка et которых максимальна среди всех оценок {,} (логический знак & читается как "и" и требует, чтобы оба связываемых им утверждения были истинны). Такая постановка задачи, как было сказано выше, соответствует простому случаю. В более сложных структурах каждому допустимому варианту решения Е{ по многим причинам могут соответствовать различные внешние условия (состояния) Fj и, как следствие, различные результаты ву реализации решений. Под результатом решения еу здесь будем понимать численную оценку, соответствующую варианту Е{ и условиям Fj . Будем называть такой результат эффективностью решения. Таким образом, ситуация принятия решения описывается некоторой матрицей (табл. 3.1). Размерность этой матрицы зависит от множества вариантов решений и множества рассматриваемых факторов или условий, влияющих на принятие решений. В данном случае, так же как и в простейшем, описанном выше, лицо, принимающее решение, старается выбрать решение с наилучшим результатом. Однако, поскольку ему неизвестно, с какими условиями он столкнется, он вынужден принимать во внимание все численные оценки ву, соответствующие варианту Е{. Первоначальная задача Если выбор оценочной функции отдается на усмотрение лица принимающего решения, то приходится считаться с возможностью различных результатов для одного и того же решения.
Таким образом, принятие решения не есть чисто рациональный процесс. Опасность возникает в тех случаях, когда критериальные оценочные функции выбираются интуитивно, иногда даже без выяснения исходной позиции лица принимающего решения. Всякое техническое или экономическое решение в условиях неполной информации - сознательно или неосознанно - принимается в соответствии с какой-либо оценочной функцией. Как только это бывает признано явно, следствия соответствующих решений становятся лучше обозримыми, что позволяет улучшить их качество. При этом выбор оценочных функций всегда должен осуществляться с учетом количественных характеристик ситуации, в которой принимаются решения. Существуют особые случаи: 1) когда существует лишь один вариант m = 1, здесь мы сталкиваемся с ситуацией элементарного сравнения; 2) когда существует один вариант действий (К = 1) при m внешних состояний: фатальная ситуация принятия решения - решение вынужденное; 3) для (1) ек ei - решение Ек доминирует над Е[ (Принцип Парето). В наших исследованиях мы воспользуемся следующими критериями: - минимаксный критерий Вальда - пессимистичный критерий Из требований, предъявляемых рассмотренными критериями к анализируемой ситуации, становится ясно, что вследствие их жестких исходных позиций они применимы только для идеализированных практических решений. В случаях, когда требуется слишком сильная идеализация, можно одновременно применять поочередно различные критерии. После этого среди нескольких вариантов, отобранных таким образом в качестве оптимальных, приходится все-таки волевым образом выделять некоторое окончательное решение. Такой подход позволяет, во-первых, лучше проникнуть во все внутренние связи проблемы принятия решений и, во-вторых, ослабляет влияние субъективного фактора. Перейдем к конкретному случаю [130]. При испытаниях деэмульгаторов на Ватьеганском месторождении ТИП «Когалымнефтегаз» получены данные по деэмульгирующему эффекту (табл.3.2). Анализировались эмульсии с обводненностью 68%. Лабораторные испытания проводились без магнитной обработки и при обработке магнитным полем, напряженность во времени изменялась знакопеременно по закону треугольника, прямоугольника, синусоидально, импульсно. Дозировка деэмульгатора - 40 иг/я.
Анализ динамики патентования устройств магнитной обработки
Процесс подачи заявок на изобретения определяется многими факторами. Влияние одних факторов на подачу заявок определяется однозначно, другие же носят случайный характер. Следовательно, процесс подачи заявок можно рассматривать как случайный и при обработке статистического материала использовать теорию случайных процессов [401,402]. Случайная функция называется стационарной, если все ее вероятностные характеристики не зависят от времени (точнее, не меняются при любом сдвиге аргументов, от которых они зависят, по оси времени). Одно из условий, которому должна удовлетворять стационарная случайная функция, - условие постоянства дисперсии. Спектром колебательного процесса называется функция, описывающая распределение амплитуд по различным частотам. Спектр показывает, какого рода колебания преобладают в данном процессе, какова его внутренняя структура. Спектр стационарной случайной функции описывает распределение дисперсий по различным частотам. На представлении случайных функций в виде спектральных разложений основана спектральная теория стационарных случайных процессов. Дисперсия случайной функции распределена по различным частотам: одним частотам соответствуют большие дисперсии, другим - меньшие. Функция, характеризующая плотность распределения дисперсий по частотам непрерывного спектра, называется спектральной плотностью стационарной случайной функции. Обычно при решении практических задач нас интересует дисперсия, которая характеризует ошибки системы, вызванные поступающими на нее случайными возмущениями, и во многих случаях может служить критерием точности работы системы. Параметр а характеризует степень затухания кривой кх(т) с увеличением г; параметр /? - средняя частота функции кх(т). При сравнительно малых а преобладает колебание, при сравнительно больших -убывание. В первом случае случайная функция близка к периодическим изменениям. Во втором случае спектральный состав случайной функции более равномерен, преобладания тех или иных частот не наблюдается. При больших а спектральная плотность в значительном диапазоне частот остается почти постоянной (при а — оо спектр случайной функции приближается к «белому шуму»). В исследовании патентной информации «белый шум» характеризует эффективность и стабильность развития направления подачи заявок на изобретения. При широкополосном, близком к «белому шуму», спектре подача заявок на патентование в исследуемом направлении носит хаотичный характер.
При узкополосном спектре можно считать, что подача заявок на патентование происходит систематически, что характеризует направление как стабильно развивающееся. При дальнейшем анализе в качестве параметров стабильности развития направления были приняты спектрально-корреляционные характеристики динамики подачи заявок на патентование аппаратов для магнитной обработки жидкости. По изменениям количества поданных в разные годы заявок сравнивались результаты вычисления корреляционной функции и спектральной плотности. С использованием программы MathCad 2000 Pro были исследованы колебания количества заявок на патентование аппаратов магнитной обработки жидкостей в течение 192 месяцев (1987-2002 гг.). На рисунке 4.26 показаны графики корреляционной функции и спектральной плотности изменения общего количества заявок на патентование аппаратов магнитной обработки жидкостей всех видов. Анализ формы спектра [404] показывает, что для подачи заявок на патентование аппаратов для магнитной обработки жидкостей характерен узкополосный процесс, что характеризует направление магнитной обработки жидкостей как стабильное. В качестве критерия для косвенной оценки перспективности направлений совершенствования устройств магнитной обработки жидкости впервые использован коэффициент Джини. Коэффициент Джини - это макроэкономический показатель, введенный Макконелл К.Р. и Брю С.Л. [404], и характеризующий дифференциацию определенных показателей в виде степени отклонения фактического распределения от абсолютно равного. Чем выше коэффициент Джини (он меняется в пределах от 0 до 1), тем выше дифференциация. Предлагаемая методика косвенной оценки перспективности направлений совершенствования устройств магнитной обработки с использованием коэффициента Джини основана на обработке временных рядов, составленных из количества заявок на патентование, поданных в определенные промежутки времени. Общая неравномерность в распределении заявок по времени характеризуется кривой Лоренца, а количественная степень неравенства в распределении заявок - коэффициентом Джини. Таким образом, устанавливается связь между изменением количества подаваемых заявок на патентование за определенный промежуток времени, и стабильностью интереса исследователей к данному направлению, что характеризует его перспективность [405]. Определение коэффициента Джини основано на построении кривой Лоренца, или линии распределения.
Для этого строится зависимость количества значений случайных величин Q (количества поданных заявок на патентование) по оси ординат в % - от количества этих значений N в начале и конце периода (месяцев, за которые подавались данные заявки) по оси абсцисс в %, для различных групп устройств магнитной обработки жидкостей. Если бы между изменением количества поданных заявок на патентование и временным интервалом, за который были поданы данные заявки, существовало абсолютное равенство, то за равные промежутки времени подавалось бы одинаковое количество заявок, что отражено кривой ОЕ рисунка 4.27 В действительности, наблюдается иная картина, что представлено кривой OABCDE, или так называемой кривой Лоренца. Чем больше отклонение кривой Лоренца от линии ОЕ, тем меньше взаимосвязь между анализируемыми показателями. Площадь фигуры ABCDEO - это интегральный показатель отличия действительного распределения от полностью равномерного. Чем больше отклонение кривой Лоренца от линии ОЕ, тем больше площадь iSj, и, следовательно, тем больше коэффициент Джини будет приближаться к единице. По вышеприведенной методике были определены значения коэффициента Джини для заявок на патентование аппаратов магнитной обработки, поданных за период с 1987 по 2002 гг. по кварталам. Количество заявок, поданных в каждый квартал указанного временного отрезка, составило статистический ряд для последующего вычисления коэффициента Джини. На рис. 4.28 показан результат расчета для общего числа поданных заявок на патентование аппаратов магнитной обработки, а также для заявок на аппараты на основе постоянных и электромагнитов. Как видно из рисунка, интерес исследователей к разработке и применению аппаратов магнитной обработки жидкостей в нефтегазодобыче стабилен, что характеризуется низким значением коэффициента Джини (Gn=0.281). Таким образом, данное направление можно считать перспективным и стабильно развивающимся. Сравнительный анализ результатов, полученных для аппаратов на основе постоянных магнитов и электромагнитов, позволяет сделать вывод, что разработка аппаратов на основе постоянных магнитов (Gn=0.352) представляет для изобретателей больший интерес, нежели разработка аппаратов на основе электромагнитов (Gn=0.503). Это можно объяснить тем, что в последнее десятилетие разработаны новые материалы для изготовления постоянных магнитов, обладающие лучшими магнитными свойствами и более низко стоимостью, что делает аппараты на их основе более эффективными и недорогими по сравнению с электрическими [405]. На рисунке 4.29 показан результат расчета коэффициента Джини для изменения количества подачи заявок на патентование аппаратов скважинного и наземного исполнения.
