Введение к работе
Актуальность темы. Парафиновые отложения нефтепроводных труб являются одной из причин снижения эффективности нефтедобычи. Отложения в трубах приводят к снижению дебита нефти и вызывают перегрузки в работе насосных установок из-за возрастания сопротивления перекачки.
Наряду с мерами по предотвращению образования парафиновых отложений на внутренней поверхности нефтепроводных труб, значительное внимание уделяется очистке демонтированных нефтепроводных труб от парафиновых отложений при их ремонте с целью последующего использования. В настоящее время существует ряд методов удаления парафиновых отложений, из которых наиболее эффективными и производительными являются тепловые. Однако основным недостатком этих методов является высокая потребляемая мощность, связанная с необходимостью перевода в жидкое агрегатное состояние всей массы парафиновых отложений. Тепловые методы очистки труб перспективны при условии решения задачи оптимизации затрат энергии. Наиболее эффективным путем решения этой задачи является создание системы управления технологическим процессом с применением контроля состояния парафиновых отложений.
Существующие электрические, радиометрические, оптические, тепловые и ультразвуковые методы определения толщины парафиновых отложений и иных диэлектрических покрытий, применительно к данной задаче, обладают недостатками, связанными с неудовлетворительным диапазоном измерения, сложностью оборудования или необходимостью соблюдения особых мер техники безопасности. Эти недостатки не позволяют обеспечить своевременное получение информации, необходимой для управления технологическим процессом очистки труб. В связи с этим исследования, посвященные разработке метода оперативного контроля момента образования жидкой фазы пристеночного слоя парафиновых отложений, толщины их жидкой и твердой фаз в режиме реального времени, являются актуальной научно-технической задачей, успешное решение которой позволит своевременно переключать секции нагревателя демонтированных нефтепроводных труб при ее очистке тепловым методом и выбирать оптимальный режим нагрева.
Объект исследования. Парафиновые отложения при очистке от них демонтированных нефтепроводных насосно-компрессорных труб, когда оплавление пристеночного слоя отложений производится без расплава их основной массы за счет последовательного нагрева труб по участкам и последующего извлечения отложений.
Предмет исследования. Метод контроля состояния парафиновых отложений при очистке демонтированных нефтепроводных труб.
Цель исследования. Разработка метода и средства оперативного контроля состояния парафиновых отложений при очистке демонтированных нефтепроводных труб тепловым методом.
Задачи исследования.
1. Разработка метода оперативного контроля толщины жидкой фазы парафиновых отложений и определения момента начала их фазового перехода из твердого в жидкое состояние при очистке демонтированных нефтепроводных труб.
2. Разработка математической модели и действующего макета устройства очистки демонтированных нефтепроводных труб от парафиновых отложений на основе индукционного нагрева труб.
3. Создание экспериментального стенда для физического моделирования метода контроля состояния парафиновых отложений при очистке демонтированных нефтепроводных труб.
4. Разработка алгоритмов обработки первичной информации и управления позиционированием измерительного электрода для контроля толщины жидкой фазы парафиновых отложений, синхронно с последовательным разогревом участков трубы, с целью автоматизации контроля и энергетически эффективного последовательного разогрева трубы по участкам.
Методы исследования основывались на аналитическом и численном математическом моделировании тепловых, электростатических и электромагнитных процессов. Использовались экспериментальные исследования процесса формирования жидкой фазы парафиновых отложений в нефтепроводной трубе.
Методологическую основу исследования составляла теоретическая электротехника, теплофизика, физика неполярных диэлектрических материалов, методическое обеспечение обработки результатов измерений.
Научная новизна.
1. Показано, что в момент начала образования жидкой фазы парафиновых отложений в разогреваемой демонтированной нефтепроводной трубе имеет место минимум второй производной по времени от эквивалентной диэлектрической проницаемости пространства между трубой и измерительным электродом.
2. Продемонстрировано, что по эквивалентной диэлектрической проницаемости межэлектродного пространства и геометрическим размерам трубы можно определять толщину жидкой фазы пристеночного слоя парафиновых отложений на контролируемом участке разогреваемой демонтированной нефтепроводной трубы.
3. Показана возможность оперативного контроля состояния парафиновых отложений на каждом из последовательно разогреваемых участков демонтированной нефтепроводной трубы путем выделения вклада в эквивалентную диэлектрическую проницаемость, регистрируемую емкостным методом, диэлектрической проницаемости воздушного слоя, твердой и жидкой фазы парафиновых отложений в режиме позиционирования измерительного электрода на соответствующем участке трубы синхронно с его разогревом.
Практическая ценность работы. Результаты диссертационной работы использованы при разработке внедряемых на рынок новой технологии и технологического оборудования для очистки насосно-компрессорных труб от парафиновых отложений, выполнявшихся по инновационному проекту «Разработка и исследование магнитных систем технологического комплекса очистки насосно-компрессорных труб от отложений парафина на основе электроиндукционного нагрева», поддержанному Фондом содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере по программе «Старт-2010» (государственный контракт между Фондом содействия и ООО «Трубочист» № 7879р/11361 от 15 апреля 2010 года). Имеется соответствующий акт об использовании результатов работы.
Метод и прибор могут быть использованы для создания автоматической линии очистки демонтированных нефтепроводных труб. Полученные технические решения могут найти практическое применение при очистке любых металлических труб от отложений диэлектрических веществ с неполярными молекулами.
Личный вклад автора состоит в разработке и экспериментальном исследовании метода оперативного контроля состояния парафиновых отложений, включая определение момента начала их фазового перехода из твердого в жидкое состояние, толщину твердой и жидкой фаз. Автором разработаны алгоритмы обработки сигналов эквивалентной диэлектрической проницаемости и управления позиционированием измерительного электрода для автоматизации контроля и энергетически эффективного последовательного разогрева трубы при ее очистке.
Положения, выносимые на защиту.
1. Момент начала фазового перехода пристеночного слоя парафиновых отложений из твердого состояния в жидкое в разогреваемой нефтепроводной трубе характеризуется минимумом второй производной по времени от эквивалентной диэлектрической проницаемости пространства между трубой и измерительным электродом.
2. Метод оперативного диэлектрического контроля состояния парафиновых отложений позволяет определять толщину их твердой и жидкой фаз в разогреваемой нефтепроводной трубе.
3. Предложенные алгоритмы обработки сигналов эквивалентной диэлектрической проницаемости и управления позиционированием измерительного электрода позволяют автоматизировать процессы этого контроля и повысить энергетическую эффективность процесса очистки трубы.
Достоверность полученных результатов работы подтверждается согласием экспериментально регистрируемых значений диэлектрической проницаемости с экспериментальными данными, опубликованными в научной литературе; точностью применяемого прибора Е7-14; воспроизводимостью результатов, полученных с помощью разработанной методики определения толщины жидкой фазы парафиновых отложений; совпадением экспериментальных данных с расчетными.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Международных научных школах «Наука и инновации» (Йошкар-Ола, 2009, 2010 и 2011 гг.), Молодежных научных семинарах «Наука и инновации» (Йошкар-Ола, 2009, 2010 и 2011 гг.), VI Международной молодежной научной конференции «Тинчуринские чтения» (Казань, 2011 г.), Международных научных студенческих конференциях по естественно-научным и техническим дисциплинам «Научному прогрессу – творчество молодых» (Йошкар-Ола, 2009, 2010 и 2011 гг.). Тема исследования поддержана грантами Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере по программе «У.М.Н.И.К.», государственный контракт № 7280р/10130 от 31.08.2009 «Разработка и исследование методик контроля и коррекции экологических и биотехнологических параметров функционирования живых систем» по теме № 10130и «Разработка математической модели технологического процесса и установки очистки демонтированных нефтегазопроводных труб от отложений парафина», и «Старт-2010», государственный контракт № 7879р/11361 от 15.04.2010 «Разработка и исследование магнитных систем технологического комплекса очистки насосно-компрессорных труб от отложений парафина на основе электроиндукционного нагрева».
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 9 научных публикациях, включая 2 статьи в ведущих рецензируемых научных журналах, входящих в перечень ВАК, 5 материалов докладов международных и всероссийских конференций, 1 статью во внутривузовском сборнике научных работ, 1 патент на изобретение (имеется положительное решение о выдаче патента).
Соответствие диссертации научной специальности. Диссертация соответствует специальности 05.11.13 – Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий и затрагивает следующие области исследования:
1) метод оперативного контроля состояния парафиновых отложений при очистке демонтированных нефтепроводных труб соответствует п. 1. «Научное обоснование новых и усовершенствование существующих методов аналитического и неразрушающего контроля природной среды, веществ, материалов и изделий» Паспорта специальности;
2) алгоритмы обработки сигналов эквивалентной диэлектрической проницаемости и управления позиционированием измерительного электрода позволяют автоматизировать процессы этого контроля и повысить энергетическую эффективность процесса очистки трубы соответствуют п. 6 «Разработка алгоритмического и программно-технического обеспечения процессов обработки информативных сигналов и представление результатов в приборах и средствах контроля, автоматизация приборов контроля» Паспорта специальности.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка, включающего 97 наименований, списка авторских публикаций, включающего 9 наименований. Работа изложена на 129 страницах, содержит 47 рисунков.
