Способ определения содержания нефти и механических частиц в подтоварной воде Российский патент 2022 года по МПК G01N21/53 G01N21/47 

Изобретение относится к оптическим методам измерения концентраций взвешенных частиц в воде и может быть использовано для определения содержания нефти и механических частиц в подтоварной воде на нефтедобывающих предприятиях, а также для экологического мониторинга водных сред.

Известен способ определения объемной концентрации нефти в сточных вода (патент Великобритания № 1556029, 1979 г.), предусматривающий облучение анализируемого образца излучением в спектральном диапазоне 0,4-1,2 мкм и регистрацию рассеянного излучения. Недостатком известного способа является зависимость результатов измерений от дисперсности частиц нефти в воде, что ухудшает точность измерения их концентрации.

Известен способ «Метод и детектор для определения нефти в воде (патент США № 4672216, 1987 г.) заключающийся в том, что через протекающие в рассеивающем объеме промысловые сточные воды пропускают излучение лазера, причем на одном фотоприемнике регистрируется прошедшее прямое излучения лазера, а на остальных N-2 фотоприемниках - рассеянное на нефтяных частицах. Зарегистрированные сигналы поочередно через предварительные усилители, коммутатор и усилители с детектором фазы, аналого-цифровой преобразователь и интерфейс поступают в компьютер, где по заданным алгоритмам определяется концентрация нефти в воде. Недостатком известного способа является не высокая точность определения концентрации нефти в воде, обусловленная разбросом параметров преобразования фотоприемников и коэффициентов усиления предварительных усилителей раздельно для каждого из N-2 фотоприемников рассеянного света и их погрешностей регистрации, вызванных дрейфами токов фотоприемников и предварительных усилителей, а также сложность конструкции, определяемая наличием значительного количества фотоприемников и специальной системы сбора с них информации (коммутатор, детектор фазы).

Известен способ контроля содержания механических примесей в жидкости (патент РФ № 2563813, 2015 г.) заключается в том, что поток жидкости пропускают, поддерживая постоянный расход, через систему фильтрующих перегородок с последовательно уменьшающимися размерами пор, при этом измеряют давление перед каждой фильтрующей перегородкой и давление за ней, вычисляют на основании изменения разности давлений гидравлическое сопротивление фильтрующей перегородки по времени, затем по полученным данным определяют степень засорения фильтрующей перегородки путем сравнения с имеющимися тарировочными данными, показывающими изменение гидравлического сопротивления фильтрующей перегородки в зависимости от содержания механических примесей, и на основе этих данных определяют количество механических примесей определенного размера. Недостатком известного способа является необходимость постоянной очистки засоренных механическими частицами фильтрующих перегородок, требование измерения давления перед каждой из них в засоренном и чистом состоянии, что существенно удлиняет процесс контроля содержания механических примесей.

Известен фотоэлектрический способ определения размеров и концентрации взвешенных частиц (патент РФ № 2504753, 2014 г.) включает зондирование потока исследуемой среды световым пучком и регистрацию сигналов взаимодействия зондирующего светового пучка с частицами. Также способ включает измерение амплитуды и числа фотоэлектрических импульсов этих сигналов, по которым определяют соответственно размеры и концентрацию частиц. При этом поток фотоэлектрических импульсов подвергают первичной амплитудной дискриминации с верхним и нижним пороговыми уровнями, а затем селектор импульсов обеспечивает прохождение импульсов с длительностью, превышающей определенную пороговую величину, устройство коррекции многократных совпадений подвергает фотоэлектрические импульсы принудительному прерыванию через время, равное длительности пролета частиц через счетный объем. Фотоэлектрические импульсы подвергают принудительному прерыванию через время, равное длительности пролета частиц через счетный объем, и в зависимости от импульсов, поступающих в персональный компьютер, управляют воздуходувкой и длительностью импульсов принудительного прерывания, а также амплитудой излучения лазера и верхним пороговым уровнем амплитудной дискриминации. Недостатком известного способа является то, что он определяет общее количество частиц в исследуемой среде, не разделяя их по видам и сложность его практической реализации.

Общим недостатком всех известных способов является определение в воде только одного показателя - содержания нефти или механических частиц либо общего количества всех частиц, не отделяя нефтяные частицы от механических. Они не обеспечивает определение сразу двух показателей качества подтоварной воды, что является существенным их недостатком. На практике для определения массовой доли нефти и механических частиц в подтоварной воде используют несколько методик анализа, что увеличивает затраты и удлиняет процесс контроля.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ определения нефтепродуктов в сточных водах (прототип, авт. свид. № 1343314, опубликованное в 1987 г.), позволяющий определять сразу два показателя качества подтоварной воды - содержание нефти и механических частиц. Способ включает эмульгирование нефти в образце воды, облучение его излучением спектрального диапазона от 0,4 до 1,2 мкм, измерение в процессе эмульгирования максимального и минимального значения интенсивности рассеяния в углах от 3 до 7º и вычисление концентраций нефти и механических примесей через измеренные сигналы. Недостатком известного способа является то, что при эмульгировании нефтяные шарики уменьшаются в размерах и рассеяние на них в малых углах вперед резко падает, что ухудшает точность определения содержания нефти и механических частиц в подтоварной воде.

Задача, на решение которой направлено изобретение способа заключается в повышении точности определении содержания нефти и механических частиц в подтоварной воде. Если первоначальный поток излучения не плоскопараллельный, а расходящийся, то угловые особенности зависимости интенсивности рассеянного излучения на нефтяных и механических частицах (индикатриса рассеяния) будут менее выраженными, усреднёнными по углу, что ухудшает точность измерений. Источники некогерентного излучения не могут генерировать световой поток высокой степени направленности, что ведет к появлению шумового фона рассеянного света на регистрирующих приемниках и снижает точность измерений. Угловая зависимость рассеяния на нефтяных и механических частицах весьма чувствительна также к вариации длины волны направленного на них излучения. Следовательно, немонохроматичность излучения будет также вносить погрешность в измерения концентраций нефти и механических частиц в подтоварной воде. На практике для выделения нужной длины волны из широкого спектра лампы накаливания обычно применяют светофильтры, или, как в прототипе, дифракционные решетки спектрофотометра, которые создают монохроматичность в полосе начиная от 10^-3 мкм. Лазерные источники излучения позволяют создавать электромагнитный световой поток значительно более высокой монохроматичности от 10^-9 мкм. Применение лазерного излучения резко (примерно в 10⁶ раз) уменьшает погрешности вызываемые немонохроматичностью. Регистрируемое рассеянное излучение пропорционально интенсивности падающего светового потока. Следовательно, для регистрации концентрации компонентов анализируемой пробы с высокой точностью необходимо подбирать источники излучения, создающие световой поток большой спектральной плотности. Применение в предлагаемом способе лазерного излучения, обладающего высокой спектральной плотностью, монохроматичностью и направленностью и превосходящего по этим параметрам другие виды излучения, используемые при нефелометрических измерениях, обеспечивает повышение точности измерения концентраций нефти и механических частиц. При этом основным источником погрешности измерений остаются случайные флуктуации интенсивности рассеянного излучения, обусловленные броуновским движением взвешенных нефтяных и механических частиц. Так как среднетепловая скорость этих частиц в воде составляет около 0,5 см/с, то для усреднения флуктуаций рассеянного излучения необходимо прокачивать анализируемую пробу через кювету со скоростью большей 0,5 см/с, что устраняет оставшуюся погрешность. Эмульгирование анализируемой пробы, например, ультразвуком приводит к уменьшению размеров диспергированных в воде нефтяных шариков, тогда как размеры механических частиц остаются неизменными, что существенно меняет их угловые характеристики рассеяния и создает условия для одновременной регистрации этих загрязнителей. Суммарные индикатрисы рассеяния лазерного излучения с длиной волны λ в диапазоне от 0.4 мкм до 1,2 мкм механическими и нефтяными частицами после эмульгирования пробы воды представлены на фиг.1, где по оси ординат в логарифмическом масштабе в относительных единицах отложены значения интенсивности рассеяния I(θ) в зависимости от угла регистрации θ (индикатрисы рассеяния) в диапазоне от 0 до 180º. Для углов от 180 до 360º картина симметричная относительно падающего лазерного луча. Кривая 1 – индикатриса рассеяния механическими частицами, кривая 2 – индикатриса рассеяния нефтяными шариками. Расчет проведен для следующих значений компонентов подтоварной воды: массовая доля механических частиц 0,2%, логарифмически нормальное распределение по размерам частиц с параметрами: средний диаметр частиц d₀=2,0 мкм, среднеквадратическое отклонение ϭ=1,6; массовая доля эмульгированных нефтяных частиц 0,3%, логарифмически нормальное распределение по размерам частиц с параметрами: средний диаметр частиц d₀=0,1 мкм, среднеквадратическое отклонение ϭ=1,5. Анализ данных фиг.1 показывает, что наиболее оптимальным для определения нефтяных частиц в диапазоне длин волн от 0,44 мкм (фиг. 1а) до 1,15 мкм (фиг. 1в), является регистрация интенсивности рассеяния назад в углах от 90 до 180°, где она максимальная и превосходит интенсивность рассеяния от механических частиц, что повышает точность определения остатков нефти в подтоварной воде. При увеличении длины волны лазерного излучения больше 1,2 мкм рассеяние назад от механических частиц сначала сравнивается, а затем превышает рассеяние от нефтяных шариков. Для длин волн меньше 0,4 мкм интенсивность рассеяния от нефтяных и механических частиц резко падает, что также ухудшает точность их определения. Таким, образом, выбор в предлагаемом изобретении для регистрации рассеянного назад лазерного излучения с длиной волны в диапазоне от 0.4 до 1,2 мкм обеспечивает возможность регистрации максимальной величины рассеянного частицами нефти излучения, что повышает точность ее определения. Поляризация лазерного излучения также оказывает существенное значение на величину рассеяния мелкими частицами (нефтяными шариками) размером меньше или равным длины волны. На фиг.2 в полярных координатах и логарифмическом масштабе приведены индикатрисы рассеяния при различных поляризациях лазерного излучения с длиной волны 0,63 мкм частицами нефти (кривые 3, 4, 5) и механическими частицами (кривая 5, независящая от поляризации). Расчет проведен для аналогичных параметров механических и нефтяных частиц. Видно, что интенсивность рассеяния частицами нефти при облучении пробы подтоварной воды линейно поляризованным лазерным излучением с электрическим вектором, направленным перпендикулярно горизонтальной плоскости (плоскости рисунка) (кривая 3), практически во все углах от 0 до 180° превосходит интенсивность рассеяния излучения с другими типами поляризации (кривые 4 и 5). Если сравнить зависимости интенсивности рассеяния от угла регистрации для частиц нефти и механических частиц, то нетрудно заметить, что величина рассеяния линейно поляризованного лазерного излучения с электрическим вектором, направленным перпендикулярно горизонтальной плоскости от нефтяных шариков (кривая 3) в углах от 90 до 270° (рассеяние назад) в большей степени, чем для других поляризаций (кривые 4, 5) превосходят рассеяние от механических частиц (кривая 6). В этих углах интенсивность рассеяния от нефти примерно в два раза превосходит интенсивность рассеяния от механических частиц. Следовательно, возрастает точность определения содержания нефти с использованием линейно поляризованного лазерного излучения с электрическим вектором, направленным перпендикулярно горизонтальной плоскости, по сравнению с другими типами поляризации. Это позволяет использовать оптимальную поляризацию лазерного излучения для регистрации рассеяния назад компонентами подтоварной воды, что повышает точность определения нефти. Таким, образом, выбор линейно поляризованного лазерного излучения с электрическим вектором, направленным перпендикулярно горизонтальной плоскости и с длиной волны в диапазоне от 0.4 мкм до 1,2 мкм обеспечивает возможность регистрации максимальной величины рассеянного частицами нефти излучения при регистрации рассеяния назад, что повышает точность определения содержания нефти в подтоварной воде. Оптическая плотность прошедшего через среду светового потока это интегральный показатель, характеризующий суммарную величину рассеянного излучения частицами среды. Он более информативный показатель при определении содержания механических частиц, чем регистрация рассеяния вперед, как в прототипе. Кроме того, в интенсивности рассеяния вперед (см. фиг. 1,2) составляющая сигнала от измельченных частиц нефти после эмульгирования пробы незначительна по сравнению с рассеянием от механических частиц и составляет доли процента от общего сигнала рассеяния всеми частицами загрязнений подтоварной воды, т.е. находится на пределе чувствительности измерительной аппаратуры. Это обстоятельство не позволяет использовать сигнал рассеяния вперед для регистрации эмульгированной нефти с хорошей точностью. Анализ особенностей рассеяния частицами загрязнений определил выбор в предлагаемом изобретении оптической плотности прямопрошедшего через кювету светового потока в качестве второго измеряемого параметра наряду с регистрацией интенсивности рассеяния назад для одновременного определения содержания нефти и механических частиц в подтоварной воде с высокой точностью.

Заявленный результат, который может быть получен при применении предложенного способа, достигается за счет эмульгирования анализируемой пробы, прокачивания ее через измерительную кювету со скоростью больше 0,5 см/с, облучения пробы лазерным излучением спектрального диапазона от 0,4 до 1,2 мкм, регистрации оптической плотности, прошедшего через кювету светового потока и рассеянного назад излучения, при этом содержание нефти и механических примесей определяют через зарегистрированные сигналы. Для облучения пробы можно использовать лазерное излучение с линейной поляризацией, у которой электрический вектор направлен перпендикулярно горизонтальной плоскости. Содержание нефти и механических примесей в подтоварной воде можно определять через сумму измеренных сигналов оптической плотности и рассеянного назад лазерного излучения.

Сущность изобретения способа поясняется чертежом, где на фиг.3 приведена схема предлагаемого способа.

Способ работает следующим образом. Высокомонохроматичное лазерное излучение с длиной волны в диапазоне от 0,4 до 1,2 мкм от лазера 7 направляют на проточную кювету 8, через которую прокачивают эмульгированную пробу подтоварной воды со скоростью большей 0,5 см/с. Рассеянное назад частицами нефти и механических примесей лазерное излучение регистрируют фотоприёмником 9, а оптическую плотность прямопрошедшего через кювету светового потока регистрируют фотоприемником 10. Сигналы от фотоприемников 9 и 10 поступают в электронный блок 11, который преобразует их в количественное содержание нефти и механических частиц в подтоварной воде.

Таким образом, заявляемая совокупность признаков является существенной и необходимой для достижения поставленной цели.

Пример 1. Луч гелий-неонового лазера с длиной волны излучения 0,63 мкм направляли на проточную прозрачную кювету толщиной 1 см, через которую прокачивали со скоростью большей 0,5 см/с пробу подтоварной воды, эмульгированную ультразвуком. Регистрировали интенсивность рассеянного назад излучения и оптическую плотность прямопрошедшего через кювету светового потока. Массовые доли нефти Н и механических частиц М вычисляли используя линейные уравнения регрессии вида: Н=а₀+а₁Х₁+а₂Х₂, М=b₀+b₁Х₁+b₂Х₂, где Х₁ оптическая плотность светового потока прошедшего через кювету, Х₂ интенсивность рассеянного назад излучения, а коэффициенты: a₀, a₁, a₂, b₀, b₁, b₂ вычисляли методом наименьших квадратов по результатам измерения калибровочных проб подтоварной воды с содержанием нефти и механических частиц измеренных стандартными методами анализа. По результатам измерения калибровочных проб были рассчитаны значения коэффициентов a₀=−0,0067; a₁=−0,0528; a₂=0,3676. Проверка значимости полученных коэффициентов по F критерию Фишера показала, что коэффициент a₀ статистически не значим, а коэффициенты a₁ и a₂ статистически значимы и уравнение регрессии для массовой доли нефти Н приняло следующий вид: Н=−0,0528Х₁+0,3676Х₂. Аналогичным образом по результатам измерения калибровочных проб были рассчитаны значения коэффициентов b₀=0,0027; b₁=0,0767; b₂=−0,0123. Проверка значимости полученных коэффициентов по F критерию Фишера показала, что все полученные значения коэффициентов статистически значимы и уравнение регрессии для массовой доли механических частиц М приняло следующий вид: М=0,0027+0,0767Х₁−0,0123Х₂. Рассчитанное значение коэффициента множественной корреляции между содержанием нефти и измеренными сигналами составило 0,99 и аналогичное значение для механических частиц составило 0,98. Это указывает на высокую степень связи между контролируемыми параметрами качества подтоварной воды и регистрируемыми сигналами, а также свидетельствует о высокой точности измерения нефти и механических частиц с помощью предложенного способа.

Таким образом, представленное изобретение позволяет повысить точность определения содержания нефти и механических частиц в подтоварной воде.

Изобретение относится к способам определения нефти и механических частиц в подтоварной воде. Описан способ определения содержания нефти и механических частиц в подтоварной воде, предусматривающий эмульгирование анализируемой пробы, облучение ее излучением спектрального диапазона от 0,4 до 1,2 мкм, причем облучение ведут высокомонохроматичным лазерным излучением, пробу прокачивают через измерительную кювету со скоростью больше 0,5 см/с, регистрируют оптическую плотность прошедшего через кювету светового потока и интенсивность рассеянного назад излучения, при этом содержание нефти и механических примесей определяют через зарегистрированные сигналы. Технический результат - повышение точности измерения нефти и механических частиц в подтоварной воде. 2 з.п. ф-лы, 3 ил., 1 пр.

1. Способ определения содержания нефти и механических частиц в подтоварной воде, предусматривающий эмульгирование анализируемой пробы, облучение ее излучением спектрального диапазона от 0,4 до 1,2 мкм и измерение рассеянного излучения, отличающийся тем, что с целью повышения точности измерений облучение ведут высокомонохроматичным лазерным излучением, пробу прокачивают через измерительную кювету со скоростью больше 0,5 см/с, регистрируют оптическую плотность прошедшего через кювету светового потока и интенсивность рассеянного назад излучения, при этом содержание нефти и механических примесей определяют через зарегистрированные сигналы.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что облучение ведут лазерным излучением с линейной поляризацией, у которой электрический вектор направлен перпендикулярно горизонтальной плоскости.

3. Способ по пп.1, 2, отличающийся тем, что содержание нефти и механических примесей в подтоварной воде определяют через сумму измеренных сигналов оптической плотности и рассеянного назад лазерного излучения.