Модернизация установки дифференциального термического анализа, разработанной для исследования равновесных условий гидратообразования

ФИЛИППОВ. ШИШКИН, МАЛЫШЕВ, БОЛЬШЕЕ

УДК 553.982

Модернизация установки дифференциального термического анализа, разработанной для исследования равновесных условий гидратообразования

Д.Д. Филиппов, А.С. Шишкин, А, В. Малышев, К. И. Большее

Проведена модернизация ранее разработанной установки дифференциального термического анализа, предназначенной для экспериментапьного исследования равновесных условий образования (диссоциации) газовых гидратов, с целью приведения элементов установки в состояние, отвечающее современным требованиям,

В результате проведенных работ получена более эффективная установка, реализующая метод ДТА, что позволило сократить время эксперимента и повысить точность при получении и обработке экспериментальных данных.

Modification of the earlier developed setfor differential thermal analysis designedfor the experimental study of equilibrium conditions of gas hydrate formation (dissociation) is performed in order to bring the elements of the above set to the up-date condition.

As a result the more effective set for realizing the DTA method is made, which allowed to reduce the experiment time and increase accuracy at data organization and processing.

Базовой тематикой исследований, проводимых лабораторией техногенных газовых гидратов Института проблем нефти и газа СО РАН, является теоретическое изучение и экспериментальное определение равновесных условий гидратообразования. Знание условий образования гидратов газов необходимо при решении сложных задач, возникающих в процессе добычи, транспорта, переработки и потребления газа. Основные параметры, определяющие возможность образования гидратов (температура, давление) и их диссоциации, исследуются с применением метода дифференциально-термического анализа.

Как правило, метод ДТА применяется для исследования фазовых превращений веществ по сопровождающим эти превращения тепловым эффектам и, в частности, при определении температур фазовых переходов при образовании (диссоциации) смешанных гидратов природного газа [ 1 ].

Газовые гидраты - это молекулярные кристаллы, относящиеся к классу нестехиометрических клатратных соединений. Общая формула газовых гидратов: М  иН20, где М означает включенную молекулу газа, п - число молекул воды, приходящихся на одну включенную молекулу газа [2].

В практических условиях добычи, транспорта и переработки природных газов образуются сме-

ФИЛИППОВ Денис Дмитриевич, м.н.с. ИПНГ СО РАН; ШИШКИН Александр Сергеевич, главный специалист ИПНГ СО РАН;

МАЛЫШЕВ Алексей Владимирович, н.с. ИФТПС СО РАН; БОЛЬШЕВ Константин Николаевич, инженер-программист ИФТПС СО РАН

шанные гидраты, в состав которых могут входить двойные гидраты, большие полости которых заняты пропаном и изобутаном, а малые - метаном, сероводородом и другими веществами-гидратооб-разователями. Известно, что начало процесса гидратообразования определяется составом газа, состоянием воды, внешним давлением и температурой. Зависимость между давлением и температурой образования гидратов обычно изображается диаграммой гетерогенного состояния системы в координатах р - Т.

Для получения полных диаграмм гетерогенного состояния системы газ - вода для природных газов используются экспериментальные данные непосредственных измерений температуры фазовых переходов при непрерывной регистрации изменения температуры изучаемого вещества Т и разности температур <1Т между образцом и эталонным веществом при их нагревании, то есть данные, полученные методом ДТА на соответствующих установках.

С точки зрения экспериментального исследования условий образования (диссоциации) газовых гидратов, у метода ДТА имеются явные достоинства, такие, как его высокая чувствительность, быстрота и возможность исследовать происходящие процессы в динамике.

В течение ряда лет в лаборатории успешно эксплуатировалась специально разработанная установка ДТА, приспособленная к исследуемому объекту - газовым гидратам. Однако на сегодняшний день элементы ранее разработанной в лаборатории техногенных газовых гидратов ИПНГ СО

МОДЕРНИЗАЦИЯ УСТАНОВКИ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОГО ТЕРМИЧЕСКОГО АНАЛИЗА, РАЗРАБОТАННОЙ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ

РАВНОВЕСНЫХ УСЛОВИЙГИДРАТООБРАЗОВАНИЯ

РАН экспериментальной установки, реализующей метод ДТА для определения равновесных условий гидратообразования в различных дисперсных системах: образцовый манометр, усилитель постоянного тока, микровольтмикроамперметр и потенциометр, можно считать устаревшими не только технически, но и морально, т.е. не отвечающими современным требованиям. Кроме того, требует коренного пересмотра с точки зрения быстроты, объема, точности и наглядности система ввода и обработки получаемых экспериментальных данных.

Принципиальная схема ранее разработанной установки представлена на рис. 1.

Видно, что основным элементом установки является тепловой блок (18 на рис. 1), в который помещаются исследуемое вещество и эталон. Тепловой блок изготовлен из дюралюминия и представляет собой цилиндр с двумя строго симметричными углублениями, в которые помещаются две капсулы, изготовленные из политетрафторэтилена с исследуемым образцом и эталоном.

Рис. 1. Принципиальная схема немодернизированной установки ДТА

Давление в камере измеряется образцовым манометром (13). Для измерения температуры в образце и разности температур между образцом и эталоном использовалась комбинированная термопара, состоящая из двух дифференциальных медь-константановых термопар (7, 8). Холодные спаи комбинированной термопары термостатировались в сосуде Дьюара при температуре 273,15 К. Сигнал от термопары (7), измеряющей температуру в образце, поступал на вход измерительного усилителя (15) постоянного тока И-37, где происходило его усиление и затем на вход (16) многоканального потенциометра КСП-4 с последующей его записью во времени. Сигнал от дифференциальной термопары (8), измеряющей разность температур между образцом и эталоном, подавался на вход (14) фотокомпенсационного усилителя микровольтмик-

роамперметра Ф-116/1 и регистрировался тем же потенциометром (16). Нулевой перепад температур между цилиндрами 1 и 3 теплового блока контролировался дифференциальной термопарой, спаи которой расположены непосредственно на стенках цилиндров. Свободные концы термопары подсоединялись к входу прибора Ф116/1 [3].

Для обеспечения наиболее эффективной работы ранее разработанной установки (рис. 1) необходимо было произвести:

- установку на рабочую камеру, в которой исследуются образцы, состоящую из непосредственно самой камеры, теплового блока и датчика давления, нового и современного датчика давления «Метран 55-ВН-Ди»;

- сопряжение измерительной установки с КИС (контрольно-измерительной системой) «Аксамит 6.25»;

- разработку программы регистрации и вывода данных с использованием языка программирования Turbo Pascal 7.1;

- разработку программы обработки полученных данных с использованием языка программирования Delphi 7.

Схема модернизированной установки приведена на рис. 2.

В качестве датчиков температуры и в ранее разработанной и модифицированной установке используются медь-константановые термопары сечением 0,2 мм, так как именно медь-константановые термопары данного сечения обладают достаточной прочностью и малой тепловой инерцией (порядка 1 сек.). Кроме того, медь-константановые термопары легко изготавливаются и монтируются, а также обеспечивают необходимую точность измерений.

Питание 12 В

Датчик давления

Абсолютная термопара

А,

КИС «Аксамит 6.25»

Дифференциальная термопара

Тепловой блок

Рис. 2. Схема модернизированной установки ДТА

42 _

Наука и образование, № 1(41), 206

ФИЛИППОВ, ШИШКИН, МАЛЫШЕВ. БОЛЬШЕВ

ЕШЯ&ЕШ

Для того чтобы исключить непосредственное взаимодействие термопар с изучаемым объектом -средой, приводящее, как правило, к искажению данных, спаи термопар перед проведением эксперимента тщательно гидроизолируются.

Из рис. 1, 2 видно, что ранее применяемый образцовый манометр заменили датчиком давления «Метран 55-ВН-ДИ», который является датчиком избыточного давления мембранного типа с пределом измерения до 25 МПа. Датчик имеет диапазон выходного сигнала 4-20 мА [3], поэтому его необходимо было подсоединить к КИС «Аксамит 6.25» через образцовое сопротивление, что и было реализовано на практике. Это техническое решение позволило быстрее, точнее и в своей динамике получать экспериментальные данные по изменению давления в процессе образования (диссоциации) гидратов различных газов и выводить их непосредственно на экран монитора.

Громоздкие усилитель постоянного тока И-37, микровольтмикроамперметр Ф-116/1 и многоканальный потенциометр КСП-4 заменили компактной КИС «Аксамит 6.25», на которую поступают сигналы от произведенных измерениях температур и давления, после чего сразу же выводятся на экран монитора.

Использование КИС «Аксамит 6.25» позволило значительно упростить процедуру измерения экспериментальных данных, так как в этом случае нет необходимости следить за показаниями нескольких приборов одновременно, что было необходимостью в установке старого типа. Закономерным результатом перечисленных преобразований (правильный выбор и установка приборов с более высокой чувствительностью), безусловно, является полученная более высокая точность при работе прибора в целом.

Для регистрации данных измерения температуры и давления, поступающих непосредственно с КИС «Аксамит 6.25» и вывода их на экран монитора, была написана специальная программа, на основе языка программирования Turbo Pascal 7.1, поскольку именно этот язык отвечает всем требованиям, предъявляемым к программам такого типа и позволяет создать программу с простым и интуитивно понятным интерфейсом.

Принцип работы программы заключается в том, что программа в режиме опроса взаимодействует с термопарами и датчиком давления с интервалом

по времени, который задается заранее (от 1 до 5 секунд). Программой предусмотрено сохранение всех полученных данных в виде текстовых файлов.

Для последующей обработки полученных данных температур и давления на языке программирования Delphi 7 была написана программа обработки, названная DTAProj, результат работы которой приведен на рисунке 3. Программа обработки основана на нахождении точек экстремумов на полученной в ходе эксперимента термограмме.

Выбор языка программирования обусловлен тем, что позволяет создать программу, которая работает в среде операционной системы Windows, и имеет интерфейс, схожий с интерфейсами других программных приложений этой системы. Эти качества языка программирования позволяют значительно упростить процедуру работы с программой. Так, при запуске программы на экран монитора выводится рабочее окно программы обработки полученных данных DTAProj. Из рис. 3 видно, что в левом верхнем углу находится интерфейс выбора файла, содержащего экспериментальные данные, с расширением *.dta.

JQLSJ

Рис. 3. Рабочее окно программы обработки данных БТАРпу

Экспериментальные данные в виде графиков изменения температуры образца и эталона, разницы температуры между ними, а также графика зависимости давления от времени эксперимента отображаются в правой части окна монитора (рис. 3). Причем график перепада температур для большей наглядности отображается в десятикратном масштабе. Кроме того, кривые температур отображаются различными цветами: температура в эталонном

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЛИЯНИЯ ЗАКА ЧКИ РАСТВОРА ППД НА КОЛЛЕКТОРСКИЕ СВОЙСТВА ПРОДУКТИВНЫХ ГОРИЗОНТОВ ИРЕЛЯХСКОГО ГНМ

веществе - зеленым; температура в исследуемом образце - красным; разница температур между эталоном и исследуемым веществом - синим. В левом нижнем углу рабочего окна программы обработки данных, в таблице, отображаются найденные точки экстремумов, причем для каждой точки приводятся все необходимые значения: температура (°С), время (сек.) и давление (атм.). Также программой предусмотрен вывод полученной информации на печать.

Разработанная программа позволила следить на экране монитора за всеми контролируемыми параметрами процесса образования (диссоциации) гидратов одновременно, а также наблюдать их изменение в динамике.

Таким образом, проведение модификации установки ДТА с применением современных комплектующих позволило перейти от аналоговой записи сигнала датчиков к цифровой. Вследствие чего повысилась точность, качество проводимых экспе-

риментов, и сократилось время обработки полученных данных за счет использования современных программных средств и обеспечения.

В целом, относительно ранее разработанной установки ДТА, предназначенной для определения параметров образования (разложения) газовых гидратов, экспериментальная часть работы будет производиться на более высоком качественном научном уровне.

Литература

1. Инербаев Т.М. Влияние молекул-гостей на структуру и стабильность газовых гидратов. Новосибирск, 2003.

2. Макогон Ю. Ф. Гидраты природных газов. М,: Недра, 1974.

3. Датчики давления Метран-55: Руководство по эксплуатации. Челябинск, 2004.

4. Система компьютерно-измерительная «АК-6.25». М., 1995.

— ♦> ♦> ❖ —

УДК 622.276.72

Экспериментальное определение влияния закачки раствора ППД на коллекторские свойства продуктивных горизонтов Иреляхского ГНМ

Е.Ю. Шиц, А.Ф. Федорова, А.С. Портнягин

В работе экспериментально исследовано влияние применяемого раствора для поддержания пластового давления (ППД) на проницаемость пород-коллекторов ботуобинского иулаханского горизонтов Иреляхского ГНМ. Показано, что с увеличением продолжительности заводнения скважин используемой жидкостью для ППД, строение парового пространства будет претерпевать изменения в результате его кальцинирования и сульфатизации, что приведет к ухудшению коллекторских свойств и в дапьнейшемусложнит работу добывающих скважин и месторождения в целом.

The paper presents results of the experimental study of the influence of the solution appliedfor maintaining the reservoir pressure (MRP) on permeability of reservoir rocks of Botuobinsky and Ulakhansky horizons of the Irelyakh gas and oilfield. It is shown that with the increase of the duration of well flooding with the solution for MRP the pore space structure will undergo changes due to its calcination and sulphatization, which can worsen the collector properties and complicate the operation of producing wells and the field in the whole.

Иреляхское газонефтяное месторождение расположено в окрестностях г. Мирного. Газонефтяные залежи приурочены к ботуобинскому и ула-ханскому горизонтам венда. Горизонты сложены преимущественно песчаниками. Песчаники боту-

ШИЦЕлена Юрьевна, зав. лабораторией ИПНГ СО РАН, к.т.н.; ФЕДОРОВА Айталина Федоровна, в.н.с. ИПНГ СО РАН, к.т.н.; ПОРТНЯГИН Альберт Серафимович, вед. инженер ИПНГ СО РАН

обинского горизонта по составу обломочной части существенно кварцевые, практически лишенные глинистого цемента. Песчаники улаханского горизонта отличаются более высоким содержанием в обломочной части полевых шпатов и присутствием глинистого цемента (гидрослюда). В силу чего песчаники ботуобинского горизонта обладают более высокими фильтрационно-емкостными свойствами, по сравнению с песчаниками улаханского горизонта.