Контроль міжфазного натягу рідин методом обертової краплі

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ "ЛЬВІВСЬКА ПОЛІТЕХНІКА"

УДК 532.612.08

КОНТРОЛЬ МІЖФАЗНОГО НАТЯГУ РІДИН МЕТОДОМ ОБЕРТОВОЇ КРАПЛІ

05.11.13 - Прилади і методи контролю та визначення складу речовини

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Кісіль Роман Ігорович

Львів 2001

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі “Методи та прилади контролю якості і сертифікація продукції” Івано-Франківського державного технічного університету нафти і газу Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент Чеховський Степан Андрійович, Івано-Франківський державний технічний університет нафти і газу, декан факультету автоматизації і електрифікації

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Яцун Михайло Андрійович, професор Національного університету “Львівська політехніка”

кандидат технічних наук Коноваленко Ігор Володимирович, асистент Тернопільського державного технічного університету ім. І. Пулюя.

Провідна установа: ВАТ “Український нафтогазовий інститут”, Міністерства палива і енергетики України, м. Київ.

Захист відбудеться “ 22 ” червня 2001 р. о 15.30 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 35.052.04 у Національному університеті “Львівська політехніка” в ауд. 51 X учбового корпусу (вул. С. Бандери, 12, Львів - 13, 79013).

Відгуки на автореферат у двох примірниках, завірені печаткою, просимо надсилати за адресою: вченому секретарю ради Д 35.052.04 Національний університет “Львівська політехніка”, вул. С.Бандери, 12, Львів - 13, 79013.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Національного університету “Львівська політехніка” (вул. Професорська, 1, Львів - 13, 79013).

Автореферат розісланий “ ” травня 2001р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради,

кандидат технічних наук, доцент Вашкурак Ю. З.

Загальна характеристика роботи

обертова крапля обертання натяг

Актуальність теми. Рідини, різні їх розчини, тверді тіла і гази взаємодіють між собою завдяки наявності контактів між ними, а результати таких взаємодій залежать від фізико-хімічних властивостей на межах цих контактів, від об'ємних властивостей контактних фаз і умов, при яких відбувається взаємодія. Міжфазний натяг (МН), який визначає енергію взаємодії на межі контакту двох нерозчинних одна в одній рідких фаз, є тим параметром, який в багатьох випадках (нафтопереробна, хімічна, побутова, нафтовидобувна і інші галузі народного господарства) є визначальним. Його контроль дозволяє передбачити кінцевий результат і оперативно здійснювати керування технологічними процесами, в яких фізико-хімічні параметри на межах контакту рідких фаз відіграють важливу роль.

Особливо важливу роль відіграє МН в таких технологічних процесах, де використовуються різні розчини поверхнево-активних речовин (ПАР), наприклад, при розробці і виробництві пральних порошків і паст, при інтенсифікації видобутку нафти шляхом підтримування пластових тисків і проведенні відповідних обробок привибійних зон продуктивних пластів свердловин, при розробці і виробництві ПАР різних функціональних призначень, у флотаційних процесах при видобутку різних корисних копалин тощо.

Необхідно відмітити, що МН залежить не тільки від конкретних властивостей контактуючих фаз (концентрація ПАР, в'язкість тощо), а і від умов, при яких контактують між собою рідкі фази, особливо від температури, змочування рідкими фазами іншої твердої фази, тиску тощо.

Вказане є предметом теоретичних досліджень таких наук, як фізична хімія, колоїдна хімія. Однак наявність досконалих приладів для контролю МН дозволяє підтвердити отримані теоретичні результати з одного боку, а також з врахуванням конкретних властивостей рідких фаз і умов їх контакту експериментально дослідити поведінку цих фаз шляхом одержання динамічних залежностей і рівноважних і значень з іншого боку.

В залежності від властивостей різних фаз і умов їх контакту МН може змінюватися в діапазоні від 0,001 мН/м до 20 мН/м і більше. Контроль МН при такому діапазоні його зміни, особливо при низьких значеннях МН, як методологічно, так і технічно пов'язаний із значними труднощами. Тому технічні засоби контролю МН для вказаного діапазону його зміни є рідкістю не тільки в Україні, а й в інших країнах, є досить дорогими (до 20,0 тис. у.о. і більше), а методики проведення ними контролю МН є складними, вимагають проведення додаткових попередніх вимірювань тощо.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційні дослідження безпосередньо пов'язані із виконанням в Івано-Франківському державному технічному університеті нафти і газу (ІФДТУНГ) держбюджетної теми Д-4-01Ф по Міністерству освіти і науки України “Наукові основи контролю, управління і екологічного моніторингу об'єктами нафтогазового комплексу України”, госпдоговірної теми №78/95 “Розробка та впровадження технологій і технічних засобів вимірювання міжфазного натягу розчинів з метою підбору оптимальних компонентів і концентрацій для інтенсифікації нафтогазовидобутку і обробки привибійних зон”, яка заключена між ВАТ “Укрнафта” і НДІНГТ ІФДТУНГ і госпдоговірної теми №8/2000 “Розробка методики підбору компонентів розчинів ПАР для обробок привибійних зон пластів газових і газоконденсатних свердловин”, яка заключена між ДК “Укргазвидобування” і НДІНГТ ІФДТУНГ. Крім цього впровадження результатів роботи здійснювалося в НГВУ “Охтирканафтогаз” і “Чернігівнафтогаз” згідно планів по новій техніці ВАТ “Укрнафта”. При виконанні вказаних тем і планів автором роботи розроблено прилад для контролю МН, методики його використання для підбору ПАР і його концентрації у водяних розчинах для інтенсифікації видобутки нафти і газу.

Мета і задачі досліджень. Мета досліджень - розробка теоретичних, методологічних та технічних засобів контролю МН на межі контакту двох нерозчинних одна в одній рідин різної густини методом обертової краплі.

Відповідно до поставленої мети задачі дослідження є такими:

- критичний аналіз існуючих відомих методик і технічних засобів контролю МН методом обертової краплі та виявлення шляхів покращення цих методик і технічних засобів;

- розробка математичного опису процесу обертання краплі легшої рідкої фази в трубці із іншою більш важчою рідкою фазою з врахуванням всіх сил, які діють на краплю при цьому;

- розробка методики розрахунку геометричних параметрів обертової краплі з врахуванням властивостей рідин і кутової швидкості обертання;

- аналіз і визначення умов досягнення гіростатичної рівноваги системи обертова трубка із двома нерозчинними рідинами різної густини, розробка методики врахування величини відставання кутової швидкості обертової краплі від кутової швидкості обертання трубки в результатах контролю МН;

- розробка удосконаленої методики контролю МН рідин методом обертової краплі без необхідності попереднього визначення коефіцієнта оптичного збільшення при вимірюванні геометричних розмірів обертової краплі і її метрологічний аналіз в порівнянні з відомими методиками контролю МН;

- розробка приладу для контролю МН рідин згідно з удосконаленою методикою контролю і аналіз його метрологічних характеристик;

- розробка методики використання результатів контролю МН розробленим приладом для приготування розчинів ПАР і аналіз результатів впровадження її на відповідних технологічних процесах.

Об'єкт дослідження - рідини, розчини ПАР, які використовуються в різних технологічних процесах, наприклад, нафтовидобутку.

Предмет дослідження - методики і засоби контролю МН на межі контакту двох нерозчинних одна в одній рідин методом обертової краплі.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в наступному:

- вперше розроблено математичний опис процесу обертання краплі легшої рідкої фази разом із трубкою і більш важкою рідкою фазою, які нерозчинні одна в одній і знаходяться в трубці. При цьому враховані всі сили, які діють на обертову краплю (відцентрова, виштовхувальна сили і сила в'язкості);

- вперше розроблена методика розрахунку геометричних розмірів обертової краплі з врахуванням властивостей контактуючих рідин і кутових швидкостей обертання трубки;

- здійснено аналіз гіростатичної рівноваги системи обертова із двома нерозчинними рідкими фазами, вперше теоретично обгрунтована методика, яка дозволяє визначити величини відставання кутової швидкості обертання краплі від кутової швидкості обертання трубок і врахувати це відставання при отриманні результатів контролю МН;

- вперше теоретично розроблено методику контролю МН рідин, яка не передбачає попереднього визначення коефіцієнта оптичного збільшення при вимірювання геометричних розмірів обертової краплі, а базується на використанні співвідношень виміряних діаметрів обертової краплі в різних її перерізах і витримуванні умов щодо співвідношення внутрішнього і зовнішнього діаметрів трубки згідно із отриманими на основі проведених теоретичних досліджень в роботі результатами;

- розроблена методика визначення і порівняльного аналізу метрологічних похибок існуючих і розробленої методик контролю МН методом обертової краплі;

- розроблена і теоретично обгрунтована методика виділення контуру обертової краплі методом радіальної розгортки, яка базується на визначенні відносних перепадів сигналу по вибраній групі послідовних піксел і дозволяє з використанням наявних і доступних телевізійних систем контролю визначати відповідні розміри обертової краплі з абсолютною похибкою, не більше 2 мкм.

Практичне значення одержаних результатів. Теоретичні, методологічні та експериментальні дослідження дозволили отримати такі практичні результати, які приведені в роботі:

- розробка приладу ПТК “Сігма” для контролю МН рідин методом обертової краплі, який реалізує методику контролю без необхідності попереднього визначення оптичного коефіцієнта збільшення при вимірюванні геометричних розмірів обертової краплі;

- розробка програмного забезпечення на мові Delphi, яке дозволяє керувати процесом проведення контролю МН рідин комплексом ПТК “Сігма”, здійснювати запам'ятовування контурів обертової краплі, подальшу обробку цих контурів з визначенням значення МН і представлення результатів контролю МН в необхідній формі;

- розробка методики підбору ПАР і їх концентрації у розчинах в залежності від функціонального призначення цих розчинів;

- впровадження розроблених методик вибору ПАР у виді технологічних регламентів для проведення обробок привибійних зон пластів нафтових свердловин на родовищах НГВУ “Охтирканафтогаз” і “Чернігівнафтогаз”.

Як теоретичні, так і практичні результати (прилад ПТК ”Сігма”) роботи використовуються в навчальному процесі із студентами спеціалізації спеціальності 7.090903 - “Методи та приладу контролю і сертифікації продукції” по дисципліні “Вимірювання фізико-хімічних параметрів на границях розділу фаз”.

Вірогідність результатів. Вірогідність отриманих наукових результатів обумовлена коректністю виконаних теоретичних досліджень з використанням теорії капілярності Лапласа і Юнга, теорії граничних шарів Екмана і Тейлора, методики розв'язку диференційних рівнянь капілярності Рунга-Кутта, методу найменших квадратів для одержання коефіцієнтів апроксимаційних поліноміальних залежностей, а також теоретичних основ метрології і опто-електронних приладів.

Вірогідність отриманих результатів експериментальних досліджень обумовлена коректністю виконаних експериментів і підтверджується відповідною їх збіжністю із результатами теоретичного аналізу, а також результатами впровадження розроблених методик і приладу ПТК "Сігма".

Особистий внесок здобувача. Основна частина теоретичних та експериментальних досліджень, висновки і рекомендації виконані автором самостійно. Автором проаналізовані існуючі методики та прилади для контролю МН рідин методом обертової краплі; сформовані мета і задачі досліджень; розроблено математичний опис процесу обертання краплі легшої рідини разом із трубкою з іншою більш важчою рідиною; розроблено методику розрахунку геометричних розмірів обертової краплі, виконано цей розрахунок і проаналізовано отримані результати; розроблено і теоретично обгрунтована удосконалена методика контролю МН рідин методом обертової краплі; проаналізовано умови досягнення гіростатичної рівноваги системи трубки із двома нерозчинними рідинами різної густини; розроблена структурна схема удосконаленого приладу ПТК "Сігма" для контролю МН рідин методом обертової краплі і основних його блоків і систем; розроблена методика оцінки методичних похибок відомих і запропонованої методик контролю МН; здійснений метрологічний аналіз приладу ПТК "Сігма"; розроблена методика використання результатів контролю МН рідин приладом ПТК "Сігма" для вибору ПАР і його концентрації у розчинах, яка впроваджена в НГВУ “Охтирканафтогаз” і “Чернігівнафтогаз”.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи обговорювалися на н/т конференціях професорсько-викладацького складу ІФДТУНГ (1998-2000 рр.); на наукових семінарах кафедри МПКЯ і СП ІФДТУНГ (1998-2000 рр.); на н/т конференції "Сучасні прилади, матеріали і технології для ТД і НК нафтогазового, хімічного обладнання" (м. Івано-Франківськ, 1996 р.); на 6-ій МНТК "Нафта і газ України - 2000" (м. Івано-Франківськ, 2000 р.); на МНТК "Фізичні основи та засоби контролю середовищ, матеріалів та виробів" (м. Львів, 2000 р.); на 7-ій МНТК "Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах" (м. Хмельницький, 2000 р.); на н/т конференції "Підвищення ефективності використання ПАР нафтогазовидобутку" (м. Івано-Франківськ, 2000 р.).

Публікації. Результати роботи висвітлені в 10 статтях фахових наукових журналів і збірниках наукових праць (3 статті одноособові), в 6 матеріалах і тезах н/т конференцій, у 2 заявках на видачу патентів України (в т.ч. 1 заявка одноособова), по яких отримані позитивні рішення ДП “Український інститут промислової власності” і одному патенті України.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, п'яти розділів, висновків, списку використаних джерел із 86 найменувань та 16 додатків, викладених на 189 сторінках. Робота проілюстрована 33 рисунками (8 стор.) та 8 таблицями (11 стор.) і додатками на 40 сторінках.

Основний зміст дисертації

У вступі вказана сутність наукової проблеми, її стан та значущість для народного господарства, показаний зв'язок роботи з науковими темами, сформульовані мета та задачі досліджень, подані наукова новизна і практичне значення отриманих результатів, визначений особистий внесок здобувача, вказана інформація про публікації по результатах роботи та про їх апробацію.

У першому розділі приведено характеристики об'єкту досліджень - рідин і розчинів ПАР, які, контактуючи між собою і іншою фазою, наприклад, твердою або газоподібною, не розчиняються одна в одній, мають різні густини, а результат їх взаємодії суттєво впливає на техніко-економічні показники відповідних метрологічних процесів.

Вказано, що МН рідин на межі їх контакту впливає на вказані показники і за допомогою МН можна здійснювати оперативний контроль за такими процесами.

Значна увага приділена аналізу відомих методик контролю МН на межі контакту нерозчинних одна в одній рідин і показано, що для контролю МН в діапазоні його зміни від 0,001 мН/м до 20 мН/м і більше, що має місце в реальних умовах і системах, найбільш ефективно можна використовувати метод обертової краплі, який оснований на вимірюванні відповідних розмірів обертової краплі і подальшому розрахунку МН. Серед існуючих методик увагу звернуто на методики Воннегута, Прінсена, Торца і Слаттері, детальний аналіз яких приведений в роботі і показав, що кожна із них має свої переваги і недоліки.

До недоліків методики Воннегута слід віднести необхідність досягнення такої кутової швидкості обертання краплі, щоб її довжина була в чотири і більше разів більшою за її діаметр, а для точного визначення вказаного діаметру необхідно попередньо визначити коефіцієнт оптичного збільшення, який може змінюватися в діапазоні від 1,3 до 1,333 і входить в залежність для розрахунку МН в 3-ій степені.

Методика контролю МН Прінсена не вимагає попереднього визначення значення М, але потребує задавання або вимірювання об'єму рідини в краплі з досить високою точністю (похибка Ј0,1 %). При цьому значення МН визначається на основі 37 табличних даних і в багатьох випадках необхідна інтерполяція. При цьому відношення довжини краплі до її діаметру може змінюватися до 3,645.

Методика контролю Торца також передбачає використання табличних даних, але для діапазону вказаного співвідношення довжини і діаметру обертової краплі від 2,423 до 15,18 і по суті є аналогічною методиці Прінсена.

Методика контролю Слаттері передбачає вимірювання діаметру обертової краплі, що вимагає попереднього визначення М, а також потребує використання відповідних табличних даних, які в обмеженій кількості представлені у відповідних літературних джерелах.

Крім цього, проаналізовані відомі технічні засоби для контролю МН рідин методом обертової краплі, звернуто увагу на їх дороговизну, складність конструкції і методики контролю МН рідин ними.

Проведений аналіз впливу зовнішніх умов на МН рідин, показано, що із зростанням температури МН зменшується. Але для різних рідин цей градієнт є різним, а його знання дає можливість враховувати температуру при виборі концентрацій ПАР у розчинах.

З врахуванням вказаних вище факторів, а також сучасних розробок відеотехніки і стану засобів обчислювальної техніки розроблені вимоги до методики і приладу контролю МН методом обертової краплі.

У другому розділі розроблені основні теоретичні положення, які покладені в основу запропонованої методики контролю МН рідин методом обертової краплі.

Одержання математичного опису процесу обертання краплі більш легшої рідини разом із трубкою і іншою більш важчою рідиною базується на відомому рівнянні капілярності Лапласа, а також аналізі впливу відцентрових сил при обертанні трубки. В результаті отримана така залежність для опису взаємозв'язку між МН s на межі контакту двох рідин, фізико-хімічними параметрами рідин і кутовою швидкістю обертання труби w у випадку відсутності сил земного тяжіння і сили в'язкості (сила Екмана):

, (1)

де R1 і R2 - відповідно радіуси кривизни поверхні краплі в любій її точці у двох взаємно перпендикулярних січеннях; R0 - радіус кривизни поверхні краплі в її омболічній точці; Dr = r1 - r2 - різниця густин досліджуваних рідин (r1>r2); y1 - віддаль точки на поверхні краплі від осі обертання трубки і краплі, яка є для них в даному випадку є однією.

Наявність сили земного тяжіння вносить певну асиметрію в розподіл тисків внаслідок дії відцентрових сил. На краплю одночасно будуть діяти виштовхуюча сила Архімеда F1, відцентрова сила більш важчої рідини F4 і закручуюча сила F6 (сила Екмана), яка обумовлена в'язкістю важчої рідини, які в результаті переміщують краплю на деяку віддаль l під певним кутом g вверх від осі обертання трубки (рис. 1).

Аналіз вертикальних і горизонтальних складових вказаних сил дозволив одержати таку систему рівнянь:

(2)

де F1 = VЧDrЧg - виштовхуючи сила Архімеда, F2 = 2ЧpЧx0ЧR2ЧlЧw2Чr1Чcos g - вертикальна складова сили F4, - вертикальна складова сили Екмана F6, F3 = 2ЧpЧx0ЧR2ЧlЧw2Чr1Чsin g - горизонтальна складова сили F4, - вертикальна складова сили F6, x0 - половина довжини обертової краплі, V - об'єм краплі, g - прискорення вільного падіння, R - найбільший радіус обертової краплі, m - динамічна в'язкість більш важчої рідини.

Розв'язок системи рівнянь (2) відносно g і l є таким:

, (3)

. (4)

Отримані вирази для g і l дають можливість оцінити вплив w, r1,, r2, m, V і R на поведінку краплі в обертовій трубці.

З метою розрахунку геометричних розмірів обертової краплі отримана така система диференціальних рівнянь, яка описує ці параметри при відсутності сил F1 і F6:

(5)

де j - кут між радіусом до дотичної в точці на поверхні краплі і віссю її обертання, А - довжина дуги контуру краплі, а3 = s/(Drw3) - розмірний параметр, у - віддаль від точки на поверхні краплі до осі обертання, х - віддаль по горизонталі від точки на поверхні краплі до її омболічної точки, S - площа поверхні краплі від омболічної точки до вертикальної площини через точку на поверхні краплі.

Визначені початкові граничні значення відповідних параметрів, які необхідні для розв'язку системи рівнянь (5), а саме:

початкові умови (y/a) = (x/a) = (S/a2) = (V/a3) = 0, при j = 0

граничні умови при j = p/2 і у = R.

Методом Рунге-Кутта 4-го порядку здійснений розв'язок системи рівнянь (5) з розробкою блок-схеми алгоритму і програми розв'язку. Отримані табличні дані можуть бути використаними для розробок різних методик контролю МН рідин s методом обертової краплі, які або пов'язані із коефіцієнтом М, або із об'ємом краплі .

Значна увага приділена гіростатичній рівновазі системи обертова трубка із двома нерозчинними рідинами, тобто стану рівномірного обертання, при якому кожний елементарний об'єм будь-якої із рідин буде мати нульову швидкість (нульове зміщення) руху по відношенню до твердих стінок трубки, що обертається навколо своєї осі.

Основною причиною виникнення різниці кутових швидкостей обертання краплі і трубки Dw, яка проявляється через відставання wкр по відношенню до кутової швидкості обертання трубки w, є певне зміщення осі обертання краплі з осі обертання трубки внаслідок дії різних сил, що було розглянуто вище. З метою визначення величини Dw були проведені відповідні експериментальні дослідження, результати яких приведені на рис. 2.

Аналізуючи рис. 2 можна стверджувати, що зона зміни Dw при 50ЈwЈ600 рад/с для реальних рідких фаз і трубки з внутрішнім радіусом 1 мм обмежена кривими 1 і 3. Причому із зростанням w значення Dw зменшується і ця зміна відбувається за таким експериментальним законом (крива 2):

. (6)

Залежність (6) можна використовувати в тих випадках, коли кутова швидкість обертання трубки із двома досліджуваними рідинами буде меншою 600 рад/с з метою внесення поправки Dw в результати визначення кутової швидкості обертання wкр краплі для подальшого розрахунку МН s.

Здійснений аналіз залежності величини коефіцієнта оптичного збільшення М при вимірюванні геометричних розмірів обертової краплі від конструктивних розмірів обертової трубки (внутрішнього і зовнішнього діаметрів), а також діаметру обертової краплі. В результаті встановлено, що М практично буде в діапазоні 1,331...1,333 тоді, коли буде виконуватися одна з таких умов:

1) відношення внутрішнього радіусу трубки до зовнішнього радіусу не буде перевищувати 0.5, а найбільший радіус обертової краплі не буде перевищувати половини внутрішнього радіусу трубки;

2) відношення внутрішнього радіусу трубки до зовнішнього радіусу не буде перевищувати 0.3, а найбільший радіус обертової краплі не буде перевищувати 0,8 внутрішнього радіусу трубки.

Розроблена удосконалена методика контролю МН рідин, сутність якої полягає в наступному. В процесі обертання краплі вимірюють половину довжини обертової краплі х0, на величину якої не впливає коефіцієнт М. Визначають величину х1 = 0,1х0. Вимірюють найбільший радіус обертової краплі Rвим., який є більшим від реального радіусу краплі R, тобто Rвим = МЧ R, а також радіус обертової краплі на віддалі х1 від її омболічної точки, тобто ур.1 = МЧу1.

Величину МН визначають за допомогою такої поліноміальної залежності:

(7)

де - апроксимаційна поліноміальна залежність x0/a = f(y1/R) n-го порядку (n=4), яка отримана для x1/x0 = 0,1 на базі результатів розрахунку значень параметрів краплі x0/a і y1/R для діапазону x0/R від 1,43 до 2,20 (всього 100 пар значень x0/a і y1/R). Значення коефіцієнтів аі, наприклад для n=4, а також найбільша абсолютна похибка Df(y1/R)MAX поліноміальної залежності f(y1/R) при цьому є такими:

; ; ;

; ; .

З врахуванням вищенаведеного розроблені вимоги до приладу з метою реалізації ним описаної вище методики контролю МН рідин, а саме: кутова швидкість обертання краплі повинна змінюватися в діапазоні 60ЈwЈ1500 рад/с, температура дослідження МН - від кімнатної до +95°С, можливість одержання залежності МН від часу існування контакту двох рідин (до 1 год. і більше), проведення вимірювання необхідних розмірів обертової краплі з абсолютною похибкою до 2 мкм, зменшення до мінімуму впливу вібрацій на поведінку обертової краплі в трубці, зменшення часу на одне вимірювання необхідних розмірів обертової краплі чи запам'ятовування контуру профілю до 1 с, проведення автоматичної обробки результатів вимірювання з представленням на їх основі результатів контролю МН в зручній формі, забезпечення безперервної роботи приладу на протязі 8 год. при високій надійності результатів контролю МН (не менше 95 %), зручність при проведенні контролю МН і при обслуговуванні приладу.

У третьому розділі основна увага приділена розробці приладу для контролю МН рідин згідно із запропонованою методикою.

Розроблена структурна схема приладу для контролю МН (прилад ПТК “Сігма”, рис. 3), який включає відповідні механічні блоки, оптичну систему вимірювання відповідних розмірів обертової краплі, електронні блоки і комплект ЕОМ.

Розроблена оптична система вимірювання геометричних розмірів обертової краплі з використанням телевізійної системи контролю. Проведений аналіз роздільної здатності цієї системи показав, що абсолютна похибка вимірювання розмірів обертової краплі при використанні доступних світло електричних перетворювачів (наприклад, OS25іі) не буде перевищувати 2 мкм. При цьому виділення контуру обертової краплі здійснюється методом радіальної розгортки, що зводиться до визначення відносних перепадів сигналу (ВПС).

Аналіз розмірів чутливої матриці світлоелектричних перетворювачів (1,5ґ1,1 мм) показав, що для ефективного використання її площі необхідно, щоб відношення зображення половини довжини краплі х0 до її радіусу Rвим було приблизно таким:

.

З врахуванням можливих значень коефіцієнта М, а також певних змін розмірів обертової краплі в процесі контролю МН, наприклад, внаслідок адсорбції ПАР на межу контакту рідин, відношення х0/Rвим може змінюватися в діапазоні від 1,1 до 1,57; звідки відношення х0/R відповідно в діапазоні від 1,41 до 2,055; що і було враховано вище при визначенні коефіцієнтів поліноміальної залежності f(yp.1/Rвим).

Розроблений алгоритм пошуку ВПС, базовими одиницями якого є чутливий маркер (ЧМ), підпрограми визначення перепадів інтенсивності сигналу в ЧМ та підпрограми знаходження центру мас інтенсивності сигналу в ЧМ. З врахуванням вищенаведеного розроблені алгоритми роботи окремих підпрограм пошуку контуру обертової краплі, а також підпрограма на мові Delphi, яка крім пошуку контуру обертової краплі при її стробоскопічному освітленні, здійснює також управління процесом контролю МН рідин, представлення зображення краплі на екрані монітора і представлення результатів контролю МН в зручній формі.

Розроблена методика проведення контролю МН рідин розробленим приладом, яка дозволяє користувачам розробленого приладу ПТК “Сігма” провести всі необхідні операції в процесі контролю, а також підготовку приладу до проведення контролю і після одержання результатів контролю.

Четвертий розділ присвячений аналізу відомих і розробленої методик контролю МН рідин методом обертової краплі, а також аналізу похибок розробленого приладу ПТК “Сігма” для реалізації запропонованої методики контролю МН.

З метою порівняння методичних похибок відомих методик контролю МН Воннегута, Прінсена, Торца і Слаттері розроблена методика розрахунку параметрів обертової краплі для таких же значень безрозмірного параметра a, для яких отримав табличні значення Прінсен. При цьому взаємозв'язок між a і R0/а є таким:

. (8)

В результаті отримані табличні значення таких безрозмірних параметрів, які використовуються для визначення МН рідин методом обертової краплі згідно методики Прінсена, а саме:

, (9)

, (10)

. (11)

де r - радіус кулі об'ємом V; (V/a3), (R/a), (x0/a) - розраховані безрозмірні об'єм, найбільший радіус і половина довжини обертової краплі для відповідного значення задаючого параметра чи ; .

Значення МН згідно методики Воннегута на основі розрахованих табличних даних може бути визначеним так:

, (12)

дійсне значення МН так:

, (13)

а значення МН згідно з методикою Прінсена за допомогою (12) шляхом підстановки замість значення згідно з табличними даними Прінсена.

В результаті проведених розрахунків було оцінено відносні методичні похибки методик Воннегута, Прінсена, Торца і Слаттері, які становлять відповідно 0,37 ; 0,2 %; 0,04 %; 0,25 %.

Відносну методичну похибку розробленої методики контролю МН у відсотках можна визначити так:

, (14)

де - безрозмірний параметр, значення якого отримані при розробці удосконаленої методики контролю МН.

Аналіз значень похибок для вказаного вище діапазону зміни показав, що методична похибка розробленої методики не є більшою від 0,19 %. При цьому немає потреби у попередньому визначенні , вимірюванні з високою точністю об'єму обертової краплі і забезпечення такої кутової швидкості обертання краплі, при якій .

Проаналізована схема накопичення похибок розробленого прилад ПТК “Сігма”, а також значень конкретних складових похибок диференціальним методом. В результаті отримано, що сумарна інструментальна похибка приладу ПТК “Сігма” не перевищує 1,14%.

Розроблена методика перевірки сумарної похибки приладу ПТК “Сігма”, в основу якої передбачено використання атестованих калібрів еліпсоподібної форми і атестованої проби дистильованої води.

У п'ятому розділі приведені результати лабораторних і промислових випробувань приладу ПТК “Сігма”, розроблені методика його лабораторних випробувань, а також методика вибору ПАР і його концентрації у розчинах з врахуванням оптимальних результатів контролю МН рідин приладом ПТК “Сігма”.

Лабораторні випробовування проводилися із рідинами, МН на межі контакту яких є відомим на основі літературних джерел. При цьому увага біла звернута на відповідність фактичних параметрів приладу передбачуваним при його розробці. Отримані результати лабораторних випробувань підтвердили збіжність вказаних вище параметрів, що підтверджує правильність теоретичних досліджень, проведених в роботі.

Значна увага приділена методиці підбору ПАР і його концентрації у водяних розчинах для проведення обробок привибійних зон нафтоносних пластів експлуатаційних нафтових свердловин. Суть методики полягає в наступному.

Готують проби водяних розчинів ПАР, наприклад, Миролу-1 на основі прісної води, з використанням якої передбачається приготовлювати в подальшому значні об'єми розчинів ПАР для проведення обробок. Кількість проб цих розчинів ПАР обумовлена видом ПАР, розчин якого передбачається приготовлювати. Наприклад, для випадку з Миролом-1 рекомендується приготовлювати водяні проби таких концентрацій: 2 %; 3 %; 3,5 %; 4 %; 4,5 %; 5 %; 5,5 %; 6 %, 6,5 %; 7 %, тобто 10 проб. Більш легкою рідкою фазою в даному випадку використовується нафта із того нафтового родовища (свердловини), де передбачається проводити обробку.

Згідно з розробленою методикою проведення контролю МН рідин приладом ПТК “Сігма”, яка раніше описана, здійснюють підготовку приладу до проведення контролю МН. Після цього, починаючи із проби із найменшою концентрацією ПАР заповнюють трубку, закривають її з обох кінців пробками із відповідними отворами по центру, за допомогою мікрошприца вводять в обертову трубку краплю нафти. Змінюють кутову швидкість обертання трубки таким чином, щоб при включеному стобоскопічному освітленні приладу на екрані монітора було зображення всієї обертової краплі одночасно. Після чого включають схему вимірювання вказаних раніше геометричних розмірів обертової краплі і на екрані монітора буде представлений результат контролю МН на межі контакту досліджуваних нафти і водяного розчину Миролу-1 відповідної концентрації. Після заміни досліджуваних рідин на інші з більшою концентрацією ПАР проводять аналогічне визначення МН. Таким чином здійснюють контроль МН для всіх проб водяного розчину Миролу-1. За оптимальну концентрацію Миролу-1 у водяному розчині для обробки привибійних зон пластів вибирають таку концентрацію, збільшення якої вже не приводить до зменшення величини МН .

Аналогічні процедури контролю ПАР приладом ПТК “Сігма” здійснюють для водяних проб інших ПАР, наприклад, Пінолу, Савенолу тощо.

Оптимальним для проведення обробок привибійних зон пласта вибирають такий ПАР і таку його концентрацію у водяному розчині, які забезпечують найменше значення МН на межі контакту із досліджуваною нафтою.

Згідно з вказаною вище методикою був здійснений вибір ПАР для обробки експлуатаційних нафтових свердловин на Качанівському, Рибальському, Прилуцькому і Богданівському нафтових родовищах НГВУ “Охтирканафтогаз” і “Чернігівнафтогаз”. Після цього були розроблені відповідні технічні регламенти (плани робіт), які приведені в додатку дисертаційної роботи і на основі яких були приготовлені необхідної кількості водяні розчини ПАР і проведена нами обробка привибійних зон продуктивних пластів 12 свердловин на вказаних родовищах.

Внаслідок таких обробок на протязі 1999-2000 рр. було додатково видобуто 1179,5 т. нафти і 105,7 тис. м3 попутного газу. Підтверджуючі акти впровадження також приведені в додатку дисертаційної роботи.

Основні результати та висновки

1. Проаналізовано відомі методики і прилади для контролю міжфазного натягу рідин методом обертової краплі (методики Воннегута, Прінсена, Торца і Слаттері). В результаті виявлені недоліки цих методик і приладів контролю, серед яких слід відмітити необхідність вимірювання об'єму обертової краплі з високою точністю, попереднього визначення коефіцієнта збільшення оптичної системи при вимірювання геометричних розмірів обертової краплі, досягнення значної (більше ніж в чотири рази) довжини обертової краплі по відношенню до її діаметру.

2. Розроблено математичний опис процесу обертання краплі більш легшої рідини разом із трубкою, що заповнена іншою більш важчою рідиною. При цьому було врахувано дію всіх сил і факторів, які діють на обертову краплю (виштовхувальної, відцентрової сили і сили в'язкості більш важчої рідини), що дає можливість визначити поведінку краплі в трубці в процесі її обертання.

3. Розроблена методика розрахунку всіх параметрів обертової краплі (довжини, діаметру, площі поверхні, об'єму, радіусів кривизна тощо) на основі отриманої системи диференціальних рівнянь капілярності, визначені початкові і граничні значення відповідних параметрів краплі, які необхідні для розв'язку.

4. Детально проаналізовані умови досягання гіростатичної рівноваги системи обертова трубка - досліджувані рідини в ній, а також запропонована методика розрахунку відставання кутової швидкості обертання краплі від кутової швидкості обертання трубки, що дозволяє підвищити точність контролю МН рідин методом обертової краплі.

5. Розроблена методика контролю міжфазного натягу методом обертової краплі на основі результатів вимірювання таких її параметрів і співвідношення між ними, яка дозволяє виключити вплив оптичного коефіцієнту збільшення на результати визначення міжфазного натягу.

6. Розроблена структурна схема, конструкція і програмне забезпечення приладу ПТК “Сігма”, який реалізує запропоновану методику контролю міжфазного натягу з використанням засобів відеотехніки і обчислювальної техніки. Вказане є предметом одноособового патенту, на видачу якого отримано рішення ДП “Український інститут промислової власності”.

7. Розроблена методика виділення контуру обертової краплі методом радіальної розгортки, яка зводиться до визначення відносних перепадів сигналу освітленості по вибраній групі піксел, а також телевізійна система контролю розмірів обертової краплі, яка реалізує цю методику.

8. Розроблена методика метрологічного аналізу відомих і запропонованої методик контролю міжфазного натягу методом обертової краплі, в результаті проведення якого здійснено порівняльний метрологічний аналіз цих методик, що дозволяє правильно їх використовувати в залежності від бажаної точності і можливостей дослідника.

9. Здійснено аналіз схеми накопичення всіх похибок розробленого приладу для контролю міжфазного натягу ПТК “Сігма”, визначено величини кожної із складових інструментальної похибок і сумарну похибку приладу в цілому, яка не перевищує 1,14%. Запропонована методика перевірки похибки приладу ПТК “Сігма” з використанням відповідних калібрів.

10. Розроблена методика вибору поверхнево-активних речовин і їх концентрацій у розчинах з використанням розробленого приладу для контролю міжфазного натягу, яку впроваджено у виробництво з метою обробки цими розчинами привибійних зон пластів експлуатаційних нафтових свердловин на родовищах НГВУ “Охтирканафтогаз” і “Чернігівнафтогаз”, в результаті чого видобуто додатково 1179,5 т. нафти і 105,7 тис. м3 попутного газу.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Кісіль Р.І. Метрологічний аналіз різних модифікацій визначення міжфазного натягу методом обертової краплі. Методи і прилади контролю якості. 1997. № 1. С. 70-74.

2. Михайлюк В.Д., Кісіль Р.І. Оцінка якості розчинів поверхнево-активних речовин для обробки привибійних зон пластів // Розробка нафтових і газових родовищ. 1996. № 33. С. 55-60.

3. Кісіль Р. І. Вплив коефіцієнта збільшення оптичної системи на результати вимірювання міжфазного натягу методом обертової краплі // Методи та прилади контролю якості. 1998. № 2. С. 6-8.

4. Кісіль Р.І. Шляхи підвищення точності і надійності роботи приладів для вимірювання міжфазного натягу методом обертової краплі // Міжвідомчий н/т збірник “Метрологія та вимірювальна техніка”. 2001. № 57. С. 126-130.

5. Кісіль Р.І., Михайлюк В.Д., Пилипець І.А., Бульбас С.В. Методика підбору поверхнево-активних речовин і їх концентрацій у міцелярних розчинах для підвищення нафтовіддачі продуктивних пластів // Методи та прилади контролю якості. 1999. № 3. С. 31-33.

6. Кісіль Р.І., Чеховський С.А. Оцінка складових і сумарної похибок вимірювання міжфазного натягу методом обертової краплі за допомогою програмно-технічного комплексу // Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах. 2000. № 11. С. 27-29.

7. Кісіль Р.І., Чеховський С А. Удосконалена методика і прилад для вимірювання міжфазного натягу методом обертової краплі // Методи та прилади контролю якості. 1999. № 4. С. 36-40.

8. Чеховський С.А., Кісіль Р.І. Програмно-технічний комплекс для вимірювання міжфазного натягу // Матеріали 7-ої міжнар. н/т конф. “Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах”. Хмельницький: ТУП. 2000. С. 211-214.

9. Кісіль Р.І., Порєв Г.В. Вимірювання геометричних розмірів обертової краплі за допомогою телевізійної системи контролю // Методи та прилади контролю якості. 2000. № 5. С. 87-91.

10. Пат. 32227 А Україна, МКИ Е 21 В 43/27. Спосіб обробки привибійної зони продуктивного пласта / Кісіль Р.І., Лилак М.М., Рудий М.І., Бульбас С.В., Копичко В.С., Заєць В.П. № 99010312; Заявл. 20.01.99; Опубл. 15.12.2000, Бюл. №7-ІІ.

11. Порєв В.А., Порєв Г.В., Кісіль Р.І. Виділення контуру обертової краплі методом радіальної розгортки при вимірюванні міжфазного натягу // Методи та прилади контролю якості. 2000. № 6. С. 32-36.

12. Чеховський С.А., Кісіль Р.І. Метрологічне забезпечення приладів для вимірювання міжфазного натягу методом обертової краплі // Матеріали Міжнар. конф. “Фізичні основи та засоби контролю середовищ, матеріалів та виробів”. Львів. 2001. С. 191-193.

13. Кісіль Р.І., Чеховський С.А. Вимірювання міжфазного натягу якісного параметру поверхнево-активних речовин, які використовуються в нафтогазовидобутку // Матеріали 6-ої Міжнародної конф. “Нафта і газ України - 2000”. Івано-Франківськ. 2000. С. 219-220.

14. Кісіль Р.І., Чеховський С.А. Стан і перспективи розвитку засобів для вимірювання низьких значень міжфазного натягу // Розробка нафтових і газових родовищ. 1998. № 35. С. 99-108.

15. Кісіль Р.І., Михайлюк В.Д. Оцінка якості розчинів поверхнево-активних речовин для обробки присвердловинних зон пластів шляхом вимірювання їх міжфазного натягу на границі розділу з товарною нафтою методом обертової краплі // Матеріали н/т конф. “Сучасні прилади, матеріали та технології для технічної діагностики та неруйнівного контролю нафтогазового, хімічного та енергетичного обладнання. Сучасний підхід до підготовки фахівців з НК і ТД”. Івано-Франківськ, ІФДТУНГ. 1996. С. 44-46.

16. Кісіль Р.І., Чеховський С.А., Бульбас С.В. Вплив міжфазного натягу на границі розділу нафта - розчин поверхнево-активних речовин на підвищення нафтовидобутку // Матер. н/т конф. “Підвищення ефективності використання поверхнево-активних речовин в нафтогазовидобутку”. Івано-Франківськ, ІФДТУНГ. 2000. С. 102-105.

17. Кісіль Р.І., Чеховський С.А. Удосконалений прилад для вимірювання міжфазного натягу методом обертової краплі // Матер. н/т конф. “Підвищення ефективності використання поверхнево-активних речовин в нафтогазовидобутку”. Івано-Франківськ, ІФДТУНГ. 2000. С. 106-108.

18. Рішення про видачу деклараційного патенту на винахід від 28.03.01. Спосіб визначення міжфазного натягу методом обертової краплі і пристрій для його реалізації / Кісіль Р.І. Заявка № 2001021076; Заявлено15.02.2001.

19. Рішення про видачу деклараційного патенту на винахід від 07.11.2000. Спосіб обробки продуктивних пластів / Манюк С.В., Єгер Д.О., Кісіль Р.І., Козак К.І., Рудий М.І., Бульбас С.В. Заявка № 99116252; Заявл.18.11.99.

Анотація

Кісіль Р. І. Контроль міжфазного натягу рідин методом обертової краплі. - Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого звання кандидата технічних наук за спеціальністю 05.11.13 - Прилади і методи контролю та визначення складу речовин. - Національний університет “Львівська політехніка”, Львів, 2001.

Дисертація присвячена дослідженню і розробці методики контролю міжфазного натягу на межі контакту двох нерозчинних одна в одній рідин різної густини.

Запропоновано методику контролю міжфазного натягу, яка виключає вплив оптичного коефіцієнта збільшення при вимірюванні геометричних розмірів обертової краплі на результати контролю. Здійснено математичний опис процесу обертання краплі більш легшої рідини разом із трубкою і іншою більш важчою рідиною, розроблена методика розрахунку параметрів обертової краплі, результати якого використані для розробки методики контролю міжфазного натягу. Проведений аналіз гіростатичної рівноваги системи обертова трубка і дві нерозчинні одна в одній рідини різної густини. Розроблений прилад для контрою міжфазного натягу рідин, проведений метрологічний аналіз відомих і розробленої методик контролю міжфазного натягу методом обертової краплі, а також розробленого приладу. Результати розробок впроваджені в нафтогазовидобувних управліннях України, а також у навчальному процесі.

Ключові слова: методика, міжфазний натяг, метод обертової краплі, гіростатична рівновага, контроль, похибка, поверхнево-активна речовина.

Аннотация

Кисиль Р. И. Контроль межфазного натяжения методом вращающейся капли. - Рукопись.

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук по специальности 05.11.13 - Приборы и методы контроля и определения состава веществ. - Национальный университет "Львивська политехника", Львов, 2001.

Диссертация посвящена разработке методики контроля межфазного натяжения на границе раздела двух нерастворимых жидкостей разной плотности, которая исключает влияние оптического коэффициента увеличения при измерении геометрических размеров вращающейся капли на результаты контроля, разработке математического описания процесса вращения капли более легкой жидкости вместе с трубкой, заполненной более тяжелой жидкостью, методике расчета геометрических размеров вращающейся капли, условиям достижения гиростатического равновесия в системе вращающаяся трубка с двумя нерастворимыми жидкостями разной плотности, исследованию телевизионной системы измерения размеров вращающейся капли, разработке прибора, реализующего предложенную методику контроля межфазного натяжения и разработанные требования к нему, а также методике использования результатов контроля межфазного натяжения прибором при разработке и приготовлении растворов поверхностно-активных веществ для технологических процессов интенсификации добычи нефти.

В первом разделе выполнен анализ известных методик и устройств контроля межфазного натяжения методом вращающейся капли, определены их недостатки, оценены условия, при которых необходимо производить контроль межфазного натяжения методом вращающейся капли, определены цель и задачи исследований. Показано, что для контроля межфазного натяжения в диапазоне его изменения от 0,001 мН/м до 20 мН/м и более наиболее подходящим методом контроля является метод вращающейся капли.

Во втором разделе представлены разработанное математическое описание процесса вращения капли вместе с трубкой и другой более тяжелой жидкостью с учетом всех сил, которые действуют на каплю (выталкивающей, центробежной и силы вязкости более тяжелой жидкости), разработанная методика расчета всех геометрических размеров вращающейся капли на основании полученных дифференциальных уравнений капиллярности, условия достижения гиростатического равновесия в системе вращающаяся трубка с двумя нерастворимыми жидкостями разной плотности, а также методика учета величины отставания угловой скорости вращения капли от скорости вращения трубки, разработанная методика контроля межфазного натяжения без учета оптического коэффициента увеличения при измерении геометрических размеров вращающейся капли, а также методика выбора параметров оптической системы измерения размеров вращающейся капли.

В третьем разделе описаны разработанный прибор ПТК "Сигма", который реализует предложенную методику контроля межфазного натяжения и в котором имеется разработанная телевизионная система измерения необходимых размеров вращающейся капли вместе с разработанным программным обеспечением, анализ и исследования элементов и процессов в телевизионной оптической системе определения контура вращающейся капли, методика выбора характеристик соответствующих элементов этой системы, а также методика проведения контроля межфазного натяжения прибором ПТК "Сигма".

В четвертом разделе основное внимание уделено метрологическому анализу методических погрешностей известных и разработанной методик контроля межфазного натяжения методом вращающейся капли, показано, что такая погрешность предложенной методики является меньшей в сравнении с известными методиками Воннегута, Принсена, Торца и Слаттери, кроме того, она исключает необходимость предварительного определения оптического коэффициента увеличения, что является достаточно сложной процедурой, оценены инструментальные погрешности разработанного прибора ПТК "Сигма", а также его суммарная абсолютная погрешность, которая не превышает 0,05 мН/м.

В пятом разделе приведены результаты лабораторных и промышленных испытаний прибора ПТК "Сигма" для контроля межфазного натяжения жидкостей, методика использования результатов контроля для приготовления растворов поверхностно-активных веществ для технологического процесса обработки призабойной зоны продуктивного нефтеносного пласта эксплуатационной нефтяной скважины.

Ключевые слова: методика, межфазное натяжение, контроль, метод вращающейся капли, поверхностно-активное вещество, прибор.

...