СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ ОБРАЗОВАНИЯ СОЛЕВОГО ОТЛОЖЕНИЯ, ЗАГРЯЗНЕННОГО РАДИОНУКЛИДАМИ ПРИРОДНОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ, НА ВНУТРЕННИХ ПОВЕРХНОСТЯХ КОЛОНН НАСОСНО-КОМПРЕССОРНЫХ ТРУБ НЕФТЕГАЗОДОБЫВАЮЩИХ МОРСКИХ ПЛАТФОРМ
METHOD FOR DETECTING FORMATION OF SALT SEDIMENTS, CONTAMINATED WITH RADIONUCLIDES OF NATURAL ORIGIN, ON INNER PUMP-COMPRESSOR PIPE COLUMN SURFACES OF OIL-GAS OFFSHORE PLATFORMS

Изобретение относится к технике радиометрических измерений при обращении с радиоактивными веществами, а более конкретно к способам обнаружения начальной стадии образования солевого отложения, загрязненного радионуклидами природного происхождения, образующегося при эксплуатации нефтегазодобывающих морских платформ (далее морских платформ), на внутренних поверхностях колонн насосно-компрессорных труб и других трубопроводов.
При всех способах эксплуатации скважин морских платформ подъем скважинной продукции на поверхность происходит по специальным насосно-компрессорным трубам (далее НКТ) малого диаметра, спускаемым в скважину перед началом эксплуатации в виде колонны. В связи с этим радиоактивные солевые отложения, включающие продукты распада урана-238 и тория-232, при нефтедобыче прежде всего закупоривают эксплуатационные колонны НКТ и уже далее скважинное оборудование, трубопроводы и оборудование промыслового контура верхнего строения морских платформ, препятствуя гидравлической проводимости скважинной продукции. Это может частично или полностью закрыть колонну НКТ, привести к повреждению всего оборудования и трубопроводов промыслового контура и, соответственно, падению добычи с потерей продукции.
Изложенные проблемы требуют удаления радиоактивных солевых отложений из трубопроводов и оборудования морских платформ. Прямые затраты на удаление таких солевых отложений, например, из одной скважины могут достигать 2,5 млн долларов, а затраты в связи с задержкой добычи обходятся производству еще в миллионы долларов в виде потерянной продукции [1].
Поэтому целесообразно своевременно обнаружить начало образования радиоактивных солевых отложений в колонне НКТ в целях выполнения ряда мероприятий по предупреждению его образования во внутритрубном пространстве колонны НКТ и, соответственно, во всем промысловом контуре морской платформы без прерывания процесса добычи. Своевременное обнаружение начала образования радиоактивных солевых отложений позволит существенно сократить затраты на их устранение.
Известен радиометрический способ гамма-съемки на местности, основанный на измерении естественного гамма-излучения горных пород. Применяется для поисков месторождений радиоактивных руд, а также руд цветных металлов (например, бокситов) и фосфоритов, парагенетически связанных с радиоактивными элементами и при геологическом картировании. [2]. Аппаратура, имеющая в своем составе вариант радиометра, осуществляющая непрерывную регистрацию гамма-излучения радиоактивных руд по заданным маршрутам на местности и реализующая способ гамма-съемки, не пригодна для обнаружения начальной стадии процесса образования радиоактивного солевого отложения внутри трубопроводов и оборудования. Ее использование для этих целей требует разработки соответствующих методов измерения и обработки полученных данных гамма-сенсора. Кроме того, эта аппаратура не имеет защиты для ослабления фонового излучения, что существенно ухудшает отношение «сигнал/шум» и приводит к существенному увеличению порога обнаружения начала солевого отложения. Все это не позволяет использовать аппаратуру гамма-съемки для целей обнаружения начала солевых отложений на морских платформах за счет высоких дополнительных затрат.
Известен также радиометрический способ диагностики состояния магистральных трубопроводов с использованием радиоактивных индикаторов (в качестве радиоактивных индикаторов используют содержащиеся в транспортируемом продукте природные радионуклиды и радиоактивные продукты их распада) и снаряда дефектоскопа [3]. Способ осуществляет неразрушающий контроль и может найти применение при диагностике состояния магистральных трубопроводов (нефте- и газопроводов) в процессе их эксплуатации, включая обнаружение утечек перекачиваемой среды, образование поверхностных трещин в стенке трубопровода, дефектов сварных швов и коррозию стенки трубопровода. Данный способ не пригоден для обнаружения начальной стадии процесса образования радиоактивного солевого отложения внутри трубопроводов, поскольку требует нарушения целостности трубы для помещения внутрь ее снаряда дефектоскопа, что приводит к остановке технологического процесса добычи нефти и, соответственно, большим затратам. Кроме того, этот способ не пригоден в связи с большими габаритами снаряда дефектоскопа для помещения его во внутритрубное пространство колонны НКТ для раннего обнаружения радиоактивного солевого отложения.
Задачами предлагаемого изобретения являются:
- своевременное обнаружение начальной стадии образования радиоактивного солевого отложения на внутренней поверхности трубы колонны НКТ без отбора проб и без остановки технологического процесса добычи нефти в процессе эксплуатации скважины;
- обеспечение оперативной передачи результата обнаружения радиоактивного солевого отложения внутри трубы колонны НКТ в компьютер диспетчера морской платформы в целях принятия решения для осуществления комплекса действий по предупреждению дальнейших солевых отложений во всем промысловом контуре морской платформы;
- сокращение значительных финансовых затрат на ремонт и восстановление промыслового контура, в частности труб колонны НКТ, за счет увеличения срока их эксплуатации.
Поставленные задачи решаются предложенным изобретением - способом обнаружения образования солевого отложения, загрязненного радионуклидами природного происхождения, на внутренних поверхностях колонн насосно-компрессорных труб нефтегазодобывающих морских платформ, при котором выполняют с помощью радиометра гамма-излучения измерения числа импульсов фонового гамма-излучения в выбранном энергетическом интервале на выбранном участке колонны насосно-компрессорных труб на начальной стадии ее эксплуатации за фиксированное время и измерения числа импульсов гамма-излучения от образующегося солевого отложения в выбранном энергетическом интервале на том же выбранном участке колонны насосно-компрессорных труб в процессе ее эксплуатации за такое же фиксированное время, а также производят вычислительные операции определения порогового значения числа импульсов от фонового гамма-излучения для заданного уровня ложных тревог, после чего производят операции сравнения полученного порогового значения числа импульсов от фонового гамма-излучения с измеренными величинами числа импульсов гамма-излучения от образующегося солевого отложения в процессе эксплуатации колонны насосно-компрессорных труб, затем по результатам сравнения, в случае превышения измеренными величинами числа импульсов гамма-излучения от образующегося солевого отложения порогового значения числа импульсов от фонового гамма-излучения, фиксируют обнаружение образования начальной стадии солевого отложения на внутренней поверхности колоны насосно-компрессорных труб.
Для повышения отношения «сигнал/шум» в предложенном способе измерения числа импульсов гамма-излучения производят в определенном энергетическом интервале, например в области соответствующей максимальной энергии гамма-квантов продуктов распада тория-232, входящих в состав радионуклидов природного происхождения и содержащихся в скважинной продукции.
В наиболее предпочтительном варианте исполнения предложенного способа вычислительные операции определения порогового значения числа импульсов от фонового гамма-излучения для заданного уровня ложных тревог, операции сравнения полученного порогового значения числа импульсов от фонового гамма-излучения с измеренными величинами числа импульсов гамма-излучения от образующегося солевого отложения в процессе эксплуатации колонны насосно-компрессорных труб, фиксирование обнаружения образования солевого отложения на внутренних поверхностях колонн насосно-компрессорных труб осуществляют с помощью микропроцессора, которым дополняют радиометр гамма-излучения.
Обеспечение возможности принятия оперативного решения для осуществления комплекса действий по предупреждению дальнейших солевых отложений во всем промысловом контуре морской платформы может быть реализовано в предложенном способе тем, что после фиксирования обнаружения образования солевого отложения на внутренних поверхностях колонн насосно-компрессорных труб результат обнаружения начальной стадии солевого отложения оперативно передают в компьютер диспетчера морской платформы с помощью микропроцессора, которым дополнен радиометр гамма-излучения.
Сущность изобретения поясняется Фиг. 1, на которой изображены сечение трубы 1 колонны НКТ морской платформы, на внутренней поверхности которой начинает образовываться радиоактивное солевое отложение 2, и устанавливаемое на трубе 1 устройство, включающее два основных известных узла - радиометр и микропроцессор, сопряженные между собой, которые реализуют предлагаемый способ.
Для уменьшения внешнего фонового гамма-излучения устройство снабжено размещенным на внешней поверхности трубы 1 слоем свинца 3. В диаметральной плоскости трубы 1 напротив слоя свинца 3 с противоположной стороны на внешней поверхности трубы 1 установлен радиометр гамма-излучения 4, который состоит из блока детектирования (отделен пунктирной линией), включающего последовательно соединенные элементы: сцинтилляционный кристалл 5, фотоумножитель 6, усилитель электрических импульсов 7, амплитудный дискриминатор импульсов 8, имеющий два порога, которые определяют выбранный энергетический интервал.
В целях дополнительного ослабления фонового гамма-излучения и коллимации гамма-излучения радионуклидов, содержащихся в образующихся солевых отложениях 2, блок детектирования радиометра гамма-излучения 4 в месте расположения сцинтилляционного кристалла 5 дополнен свинцовой кольцевой цилиндрической защитой 9.
Выход амплитудного дискриминатора 8 блока детектирования связан с входом пересчетного блока 10, длительность работы которого обеспечивается таймером 11 в составе радиометра гамма-излучения 4. Выход пересчетного блока 10 соединен с микропроцессором 12 для выполнения вычислительно-логических операций обнаружения образования начальной стадии солевого отложения 2. Выход микропроцессора 12 по линии 13 связан с компьютером центрального поста управления и контроля морской платформы (не показан).
Реализация способа происходит следующим образом.
а
а
а
Оператор устанавливает устройство обнаружения солевого отложения (см. Фиг. 1) на выбранном участке контролируемой трубы 1 колонны НКТ перед началом эксплуатации скважины. В радиометре гамма-излучения 4 (в частности, в амплитудном дискриминаторе 8) задает пороги, соответствующие границам выбранного энергетического интервала, в котором расположен пик полного поглощения энергии (фотопик) гамма-квантов солевого отложения (в соответствии с данными, изложенными в [2]). Например, для рассматриваемого устройства выбран энергетический интервал в области энергии гамма-квантов, равной 2,614 МэВ. Затем априори выбирает допустимое значение уровня ложных тревог  (например, в предлагаемом способе было выбрано =0,01 в виде значения вероятности ошибки первого рода по критерию Неймана-Пирсона [3]) и заносит его в память микропроцессора 12. Далее с помощью микропроцессора 12 вычисляет квантиль нормального распределения вероятностей k по заданному значению α из уравнения:
a
и запоминает k в памяти микропроцессора 12.
На начальной стадии эксплуатации скважины (при отсутствии на внутренней поверхности трубы 1 солевого отложения) оператор запускает устройство в автоматическом режиме, в процессе которого радиометр 4 выполняет измерения скорости счета импульсов в выбранном энергетическом интервале от фонового гамма-излучения трубы колонны НКТ. При измерении фоновое гамма-излучение попадает в торец первого элемента блока детектирования - сцинтилляционный кристалл 5, который преобразует акты взаимодействия гамма-квантов с атомами сцинтилляционного кристалла 6 в последовательность световых импульсов. Второй элемент блока - фотоумножитель 6 выполняет преобразование последовательности световых импульсов в последовательность электрических импульсов. Третий элемент - усилитель электрических импульсов 7 обеспечивает усиление последовательности электрических импульсов для функционирования четвертого элемента блока детектирования - амплитудного дискриминатора импульсов 8, который выделяет фоновое гамма-излучение в выбранном энергетическом интервале в виде стандартизованной последовательности импульсов. С выхода амплитудного дискриминатора 8 стандартизованная последовательность импульсов регистрируется в пересчетном блоке 10 за определенное время, задаваемое таймером 11. Зарегистрированное в пересчетном блоке 10 число импульсов является результатом измерения числа импульсов от фонового гамма-излучения, которое пропорционально плотности потока гамма-квантов в выбранном энергетическом интервале, прошедшего через трубу 1.
фi
Для вычисления порогового значения в соответствии с предложенным способом радиометр 4 от фонового гамма-излучения выполняет m последовательных измерений числа импульсов N - (где i - номер измерения) за фиксированный промежуток времени в выбранном энергетическом интервале. Измеренные величины числа импульсов фонового гамма-излучения радиометр 4 передает в память микропроцессора 12.
Микропроцессор 12 осуществляет вычисление среднего значения числа импульсов  по формуле:
(фиксированное время измерений выбирается исходя из того, чтобы среднее значение числа импульсов от фонового излучения было более 20, т.е. выполняется условие ) и дисперсии числа импульсов по формуле:
и определяет пороговое значение числа импульсов, исходя из выражения:
пор
пороговое значение N запоминается в памяти микропроцессора 12.
i
i
пор
i
пор
i
пор
В период дальнейшей эксплуатации скважины, когда внутри трубы 1 может образовываться радиоактивное солевое отложение 2, устройство под управлением микропроцессора 12 функционирует в режиме постоянного контроля колонны НКТ. При образовании на внутренней поверхности колонны НКТ радиоактивного солевого отложения 2 оно испускает часть гамма-квантов в направлении внешней поверхности стенки трубы 1. Эта часть гамма-квантов проходит через трубу в направлении радиометра гамма-излучения 4. Радиометр гамма-излучения 4 выполняет (аналогично изложенному выше измерению фонового гамма-излучения) ряд последовательных измерений числа импульсов N (где i - номер измерения) гамма-излучения от предполагаемого образования солевого отложения 2 за выбранное ранее фиксированное время. Зарегистрированное в пересчетном блоке 10 радиометра 4 число импульсов является результатом измерения числа импульсов от гамма-излучения образующегося солевого отложения 2. Данные измерений радиометр 4 из пересчетного блока 10 передает в микропроцессор 12, который осуществляет логическое сравнение измеренного числа импульсов N, от солевого отложения 2 с вычисленным ранее пороговым значением N. Если измеренное число импульсов от солевого отложения 2 не превышает пороговое значение, т.е. при условии N≤N, микропроцессор 12 устройства принимает решение об отсутствии на внутренней поверхности трубы колонны НКТ солевого отложения и посылает команду на последующие измерения числа импульсов гамма-излучения от образующегося солевого отложения 2. При превышении числом импульсов порогового значения, т.е. при выполнении условия N>N, микропроцессор 12 получает результат о присутствии на внутренней поверхности трубы 1 некоторого минимального уровня радиоактивности от образующегося солевого отложения 2 и фиксирует его в памяти.
Полученный результат (наличие начальной стадии солевого отложения 2, загрязненного радионуклидами природного происхождения) микропроцессор 12 по линии связи 13 оперативно передает диспетчеру на центральный пост управления и контроля морской платформы для принятия решения о выполнении ряда мероприятий по предупреждению образования солевых отложений во всем его промысловом контуре.
Таким образом, в предложенном способе обнаружения начальной стадии солевого отложения микропроцессор 12 реализует разработанный авторами алгоритм проверки статистических гипотез (гипотеза 0 - «фон», гипотеза 1 - «эффект+фон») путем обработки результатов измерения гамма-излучения радиометром 4 в соответствии с критерием Неймана-Пирсона (при заданном значении вероятности ошибки первого рода α, равном выбранному ранее допустимому уровню ложных тревог α, и заранее заданном значении вероятности ошибки второго рода β, характеризующей достоверность обнаружения 1-β).
Возможность обнаружения начала образования солевого отложения была оценена (при использовании в радиометре блока детектирования с кристаллом NaJ(T1) размером 63×63, заданном фиксированном времени измерения 1 час и при скорости счета фоновых импульсов, равной 1,5 импульса в сек в выбранном ранее энергетическом интервале) для солевого отложения, содержащего продукты распада тория-232 (например, талий-208 с минимальным значением измеренной удельной активности ~0,15 кБк/кг [6]), при двух заданных значениях вероятностей ошибок первого и второго рода (α и β). Результаты оценки начальной стадии в виде минимальной толщины обнаруживаемого солевого отложения приведены в таблице 1.
При использовании блоков детектирования с кристаллами CsJ(Tl) или BGO порог обнаружения толщины радиоактивного солевого отложения может быть уменьшен.
Источники информации
1. Майк Крабтри, Дэвид Эслингер, Фил Флетчер и др. Борьба с солеотложениями -удаление и предотвращение их образования // Нефтегазовое Обозрение. Осень 2002 г. С. 52-73.
2. Горная энциклопедия. Гамма-съемка. URL: http://www.mining-enc.ru/g/gamma-semka (дата обращения: 19.01.2015).
3. Патент Российской Федерации. RU 2159930, С1, МПК G01N 23//00, G01T 1/167, 27.11.2000 г.
4. Аваев В.Н., Васильев Г.А. Весёлкин А.П., Егоров Ю.А. и др. Экспериментальные исследования полей гамма-излучения и нейтронов. Под редакцией Ю. Егорова. М.: Атомиздат. 1974 г., стр. 31-324.
5. Б.Р. Левин. Теоретические основы статистической радиотехники. - М.: Радио и связь, 1989 г. - С. 319, 330-331.
6. С.И. Емельянов, Н.Л. Кучин, С.П. Малышев, А.Ж. Сутеева. Технология оценки интенсивности загрязненных природными радионуклидами солеотложений на внутренних поверхностях трубопроводов и оборудовании морских платформ и терминалов // Труды Крыловского государственного научного центра, вып.77 (361), 2013 г., стр. 120.