СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТОЛЩИНЫ УГЛЕВОДОРОДНОЙ ФАЗЫ НАД ВОДОЙ В НАКОПИТЕЛЕ НЕФТЯНЫХ ОТХОДОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF DETERMINING THICKNESS OF HYDROCARBON PHASE ABOVE WATER IN OIL WASTE STORAGE AND DEVICE FOR REALISING SAID METHOD

Изобретение относится к области измерительных средств, а точнее к способам и приборам, позволяющим определить толщину углеводородной фазы над водой в накопителе нефтесодержащих отходов, образующихся при добыче и переработке нефти, а также при использовании и сборе разлитых при аварии нефти и нефтепродуктов, например, с поверхности открытых водоемов.
Знание толщины углеводородной фазы и уровня нефтяных отходов в накопителе позволяет установить положения границы раздела углеводородной фазы и воды и вычислить их объемы. Это необходимо для принятия способа и назначения режима раздельного забора углеводородной фазы и удаления воды из накопителя.
В практике часто сначала определяют положение границы раздела фаз, а затем, зная уровень нефтяных отходов в накопителе, определяют толщину углеводородной фазы.
Разработано множество типов приборов измерения уровня жидких сред, включая границы раздела фаз, реализующих разным образом контактный или бесконтактный метод измерения: емкостные, гидростатические, ультразвуковые, использующие канализируемые микроволны (волноводные), радиационные, электромеханические, вибрационные, барботажные, кондукционные, лазерные, буйковые, поплавковые и другие.
Все эти приборы, основанные на разных принципах и теориях и использующие разные физические эффекты, находят применение в технологических операциях нефтегазовой и химической промышленности в зависимости от конкретных местных условий, включая пожарную безопасность, и решаемых задач.
В накопителях нефтяных отходов углеводородный слой выше границы раздела фаз часто представляет собой густую липкую темную жидкость, подобную мазуту, плотность которой по толщине слоя неравномерна и ниже плотности воды всего на 0-10%, а вязкость превышает вязкость воды часто в десятки раз. При этом тяжелые составляющие отходов выпадают в осадок. В таких условиях известные способы определения толщины углеводородного слоя с использованием известных приборов из-за неудобств недостаточно эффективны при эксплуатации.
Известен способ определения толщины углеводородной фазы над водой в накопителе нефтяных отходов, согласно которому с сооружения в нефтяные отходы под собственным весом погружают метрошток, выполненный с измерительными приспособлениями, расположенными по длине на заданном расстоянии друг от друга и обеспечивающими точечный отбор проб нефтяных отходов по глубине. Затем метрошток поднимают на поверхность накопителя и по содержимому проб устанавливают сначала положение на метрштоке в погруженном состоянии уровня нефтяных отходов и границу раздела углеводородной фазы и воды, затем определяют расстояние между уровнем нефтяных отходов и границей раздела фаз, т.е толщину углеводородной фазы (патент РФ №2227274, МПК 7 G01F 23/04, 2004 г.).
Недостатком известного способа является то, что метрошток представляет собой тяжелую, габаритную конструкцию и имеет сложную конфигурацию смачиваемой отходами поверхности. Поэтому после осуществления способа метрошток необходимо очищать от мазута, что усложняет работы, создает неудобства при эксплуатации накопителя и тем самым снижает эффективность способа.
Там же известно устройство для определения толщины углеводородной фазы над водой в накопителе нефтяных отходов, содержащее метрошток, который выполнен в виде цилиндрического стержня с измерительными приспособлениями, выполненными в виде чашеобразных элементов. Эти элементы установлены соосно и ступенчато по окружности метроштока на заданном по высоте расстоянии друг от друга и обеспечивают точечный отбор проб нефтяных отходов по глубине.
Недостатком такого известного устройства является то же, что и у ранее описанного известного способа: недостаточная эффективность при эксплуатации.
Задачей, на решение которой направлены заявляемые способ определения толщины углеводородной фазы над водой в накопителе нефтяных отходов и устройство для его осуществления, является повышение эффективности определения толщины углеводородной фазы в накопителе нефтяных отходов. Единым же техническим результатом, достигаемым при осуществлении заявляемой группы изобретений, является упрощение работ и конструкции устройства и повышение удобства при эксплуатации накопителя.
п
ш
Указанная задача решается, а технический результат достигается тем, что способ определения толщины углеводородной фазы над водой в накопителе нефтяных отходов, включает закрепление на сооружении над отходами неподвижного блока с выполненным по окружности желобом для нити, один конец которой прикрепляют к шарику, а другой - к снабженному меткой противовесу, вес которого G меньше веса шарика Gна величину g, обеспечивающую погружение шарика в отходы при одновременном подъеме противовеса. Расположение блока по высоте и длина нити обеспечивают погружение шарика в отходы на заданную глубину h, предположительно превышающую толщину углеводородной фазы δ, расположенной над водой выше границы их раздела, и предотвращающую погружение противовеса в отходы. Шарик погружают в отходы и одновременно фиксируют высотное положение метки противовеса над поверхностью отходов как при начале погружения шарика в углеводородную фазу, так и при начале увеличения скорости подъема противовеса шариком, происходящего при погружении шарика из углеводородной фазы в воду за границу их раздела. Затем замеряют расстояние между этими фиксированными положениями метки противовеса, т.е. замеряют толщину углеводородной фазы δ.
Дополнительно:
д
- после погружения шарика из углеводородной фазы в воду за границу их раздела противовес снабжают дополнительным грузом, вес g которого обеспечивает опускание противовеса и подъем шарика из отходов, при этом фиксируют высотное положение метки противовеса как при начале уменьшения скорости опускания противовеса, происходящем при вхождении шарика из воды в углеводородную фазу, так и при начале выхода шарика из углеводородной фазы в атмосферу, затем повторно замеряют толщину углеводородной фазы δ;
- высотное положение метки противовеса фиксируют визуально;
- высотное положение метки противовеса фиксируют на сооружении;
- измеряют время подъема противовеса при погружении шарика по толщине всей углеводородной фазы и/или ее отдельного слоя.
ш
п
Указанный технический результат достигается также тем, что устройство для осуществления способа определения толщины углеводородной фазы над водой в накопителе нефтяных отходов имеет закрепленный на сооружении над отходами блок с выполненным по его окружности желобом для нити, один конец которой прикреплен к шарику, погружаемому из атмосферы в отходы, а другой к снабженному меткой противовесу, перемещающемуся в атмосфере. Устройство также имеет два упора, ограничивающих подъем в атмосфере один шарика, а другой противовеса, и фиксированную над отходами метку-базис. Вес шарика Gпревышает вес противовеса G на заданную величину g, обеспечивающую погружение шарика в отходах при одновременном подъеме противовеса. Расположение блока и упоров относительно уровня репера и длина нити обеспечивают погружение шарика в отходы на заданную глубину h, предположительно превышающую толщину углеводородной фазы δ, расположенной над водой выше границы их раздела, т.е. при постоянстве длины нити удовлетворяются условия:
h+a+б-2r=в-д-е
и
δ=ж+2r-б-а,
где а - превышение репера над поверхностью нефтяных отходов;
б - превышение упора шарика над репером;
r - радиус шарика;
в - превышение упора противовеса над репером;
д - превышение метки противовеса над репером при положении шарика у его упора;
е - расстояние, измеряемое по высоте от упора противовеса до метки на противовесе при его крайнем верхнем положении;
ж - высота подъема противовеса с меткой при опускании шарика от упора до границы раздела углеводной фазы и воды, т.е. до начала увеличения скорости подъема противовеса.
Дополнительно:
- на сооружении закреплена мерная линейка, начало отсчета (ноль) шкалы которой превышает репер на величину опускания шарика в атмосфере з=а+б-2r;
- в качестве репера на период определения принята поверхность отходов;
д
- противовес снабжен временно устанавливаемым дополнительным грузом, вес g которого обеспечивает опускание противовеса и подъем шарика из отходов;
д
- удовлетворяется условие: g=2g.
Известно (Дубровский И.М., Егоров Б.В., Рябошапка К.П. Справочник по физике. - Киев: «Наукова думка», 1986), что сила, создаваемая вязкостью среды, пропорциональна скорости тела. Для шара радиусом r, движущегося без турбулентности со скоростью v в среде с коэффициентом вязкости η, сила сопротивления F=-6πηv (при появлении турбулентности сила сопротивления становится пропорциональной квадрату скорости тела). Именно это положение и положено в основу настоящего изобретения.
3
3
ш
п
уд
Так, стальной шарик радиусом r=1 см имеет объем 4,187 см и вес G=32,9 гс. При весе противовеса G=21,8 гс неуравновешенная часть веса шарика g=32,9-21,8=11,1 гс, а его удельная неуравновешенность g=11,1:4,187=2,65 гс/см. Последнее обстоятельство позволяет воспользоваться шкалой В.Н.Гончарова (Справочник по гидравлическим расчетам. /Под ред. П.Г.Киселева. Изд. 5-е. М.: «Энергия», 1974) и определить гидравлическую крупность находящегося в таком неуравновешенном состоянии шарика w=60 см/с. Это означает, что шарик в воде будет погружаться (силу трения в блоке и по длине нити условно не учитываем) со скоростью около 60 см/с, а в пределах, например, мазутного слоя - оценочно со скоростью около 1-2 см/с. Такое резкое изменение скорости погружения шарика при пересечении им границы раздела фаз в отходах определит такое же резкое изменение скорости подъема противовеса, что легко фиксируется визуально.
Устройство может быть тарировано путем сравнения с показаниями вискозиметра, например, Гепплера (с падающим шариком). В этом случае при измерении времени подъема противовеса предлагаемая группа изобретений обеспечивает дополнительный технический результат: измеряется вязкость, средняя по толщине всей углеводородной фазы δ и/или ее отдельного слоя. Знание вязкости облегчит назначение режима, например температуры, при заборе и транспортировке и использовании углеводородной фазы накопителя.
На фиг.1 изображен накопитель отходов, поперечный разрез с показом заявляемого устройства; на фиг.2 показан вид А на фиг.1.
На этих чертежах показаны и обозначены позициями элементы устройства, облегчающие понимание предлагаемого способа определения толщины δ углеводородной фазы 1 над водой 2 в грунтовом накопителе 3 нефтяных отходов 4, а именно:
5 - борт накопителя;
6 - мостик;
7 - свая;
8 - доска;
9 - настил;
10 - неподвижный блок;
11 - нить;
12 - металлический шарик (далее шарик);
13 - метка (на противовесе);
14 - противовес;
15 - граница раздела фаз;
16 - дополнительный груз (противовеса);
17 - поверхность (отходов).
Способ осуществляется следующим образом.
п
ш
Сначала у борта 5 накопителя 3 выполняют сооружение в виде мостика 6, одна из свай 7 которого с вертикально прикрепленной к ней доской 8 возвышается над его настилом 9. На доске 8 над отходами 4 закрепляют неподвижный блок 10 с выполненным по окружности желобом для нити 11. Один конец нити 11 прикрепляют к металлическому шарику 12, а другой - к снабженному меткой 13 противовесу 14. Вес Gпротивовеса 14 меньше веса G шарика 12 на величину g, обеспечивающую погружение шарика 12 в отходы 4 при одновременном подъеме противовеса 14. При этом расположение блока 10 по высоте и длина нити 11 обеспечивают погружение шарика 12 в отходы 4 на заданную глубину h, предположительно превышающую толщину δ углеводородной фазы 1, расположенной над водой 2 выше границы их раздела 15, и предотвращающую погружение противовеса 14 в отходы 4. Затем противовес 14 освобождают от дополнительного груза 16, удерживающего шарик 12 от опускания, и, придерживая противовес 14, шарик 12 медленно опускают на поверхность 17 отходов 4.
ш
После всего этого перестают удерживать шарик 12, который собственным весом G погружается в отходы 4. Одновременно с этим на доске 8 фиксируют высотное положение метки 13 противовеса 14 над поверхностью 17 отходов 4. Это фиксирование производят как при начале погружения шарика 12 в углеводородную фазу 4, так и при начале увеличения скорости подъема противовеса 14 шариком 12, которое происходит при погружении шарика 12 из углеводородной фазы 1 в воду 2 за границу их раздела 15. Затем замеряют расстояние между этими фиксированными на доске 8 положениями метки 13 противовеса 14, т.е. замеряют толщину δ углеводородной фазы 1.
д
Целесообразно толщину δ углеводородной фазы 1 определить повторно при подъеме шарика 12 из отходов 4 после его погружения за границу раздела фаз 15. С этой целью к противовесу 14 присоединяют дополнительный груз 16, вес g которого обеспечивает опускание противовеса 14 и подъем шарика 12 из отходов 4. При этом на доске 8 фиксируют высотное положение метки 13 противовеса 14 как при начале уменьшения скорости опускания противовеса 14, происходящем при вхождении шарика 12 из воды 2 в углеводородную фазу 1, так и при начале выхода шарика 12 из углеводородной фазы 1 в атмосферу. Затем повторно замеряют толщину углеводородной фазы 1.
Высотное положение метки 13 противовеса 14 фиксируют на доске 8 визуально как при погружении шарика 12 в отходы 4, так и при его подъеме. Одновременно измеряют время подъема и/или опускания противовеса 14 при погружении и/или подъеме шарика 12 по толщине δ всей углеводородной фазы 1 или ее отдельного слоя. Это позволяет определить скорость перемещения шарика 12 в углеводородной фазе 1, а при тарировании предлагаемого устройства контрольными приборами позволяет дополнительно определить вязкость углеводородной фазы 1 в целом или в ее отдельном слое.
ш
п
Способ осуществляют посредством устройства, которое имеет закрепленный на доске 8 над отходами 4 неподвижный блок 10 с выполненным по его окружности желобом для нити 11, один конец которой прикреплен к металлическому шарику 12, погружаемому из атмосферы в отходы 4, а другой - к снабженному меткой 13 противовесу 14, перемещающемуся в атмосфере. Устройство также имеет два упора 18 и 19, имеющих вид вилки и ограничивающих подъем в атмосфере соответственно один шарика 12, а другой противовеса 14. Поверхность настила 9 принята в качестве репера 20. Вес G шарика 12 превышает вес G противовеса 14 на заданную величину g, обеспечивающую погружение шарика 12 в отходах 4 при одновременном подъеме противовеса 14. Расположение блока 10 и упоров 18 и 19 относительно уровня репера 20 и длина нити 11 обеспечивают погружение шарика 12 в отходы 4 на заданную глубину h, предположительно превышающую толщину δ углеводородной фазы 1, расположенной над водой выше границы их раздела. Иными словами, в устройстве при постоянстве длины нити удовлетворяются условия:
h+a+б-2r=в-д-е
и
δ=ж+2r-б-а,
где а - превышение репера над поверхностью нефтяных отходов;
б - превышение упора шарика над репером;
r - радиус шарика;
в - превышение упора противовеса над репером;
д - превышение метки противовеса над репером при положении шарика у его упора;
е - расстояние, измеряемое по высоте от упора противовеса до метки на противовесе при его крайнем верхнем положении;
ж - высота подъема противовеса с меткой при опускании шарика от упора до границы раздела углеводной фазы и воды, т.е. до начала увеличения скорости подъема противовеса.
Дополнительно на доске 8 закреплена мерная линейка 21, начало отсчета (ноль) 22 шкалы 23 которой превышает репер 20 на величину опускания шарика в атмосфере з=а+б-2r.
В качестве репера 20 на период определения может быть принята поверхность 17 отходов 4. В этом случае а=0.
д
д
ш
п
Противовес 14 может быть снабжен временно устанавливаемым дополнительным грузом 16, вес g которого обеспечивает опускание противовеса и подъем шарика из отходов 4 и обычно удовлетворяет условию: g=2g=2(G-G). При этом вес устройства без доски 8 около 100-150 гс.
Метка 13 может быть нанесена на верхний торец противовеса 14. В этом случае расстояние е=0. При нанесении метки 13 на нить 11 над противовесом 14 создается неудобство: метка должна будет проходить через упор 19 противовеса 14, что потребует удлинение нити 11 и подъем блока 10 на более высокий уровень.
При выполнении метки в виде элемента, не проходящего через упор 19, эта метка будет иметь вес и, таким образом, будет являться частью противовеса 14. Такое раздвоение противовеса не является отходом от объема изобретения, предусмотренного независимыми пунктами формулы изобретения.
В настоящее изобретение могут быть внесены и другие различные модификации и изменения без отхода от объема изобретения.
Устройство работает следующим образом.
ш
Под действием веса G шарик 12 на нити 11 погружается в отходы 4, а более легкий противовес 14 нитью 11, пропущенной через неподвижный блок 10, поднимается в атмосфере. При погружении шарика 12 из высоковязкой углеводородной фазы 1 в менее вязкую воду 2, т.е. при пересечении шариком 12 границы раздела 15 фаз, скорость погружения шарика 12 и скорость подъема противовеса 14 увеличиваются. Расстояние между положениями метки 13 на противовесе 14, зафиксированными на мерной линейке 21 при начале погружения шарика 12 в углеводородную фазу 1 и при начале увеличения скорости подъема противовеса 14, соответствует искомой толщине δ углеводородной фазы 1. Погрешность измерения обычно не превышает 1 см.
Предложенное устройство может быть тарировано контрольными измерениями вязкости вискозиметром и стандартизировано. Таким устройством одновременно с определением толщины δ углеводородной фазы 1 по скорости опускания шарика 12 определяют вязкость углеводородной фазы 1.
Шарик 12 и нить 11 имеют простую конфигурацию и гладкую малую поверхность, поэтому после измерения они легко освобождаются от отходов, что упрощает работы и повышает удобства при эксплуатации накопителя.