USD 59.8318

-1.04

EUR 58.9388

-1.27

BRENT 85.75

-4.65

AИ-95

0

AИ-98

0

ДТ

0

5 мин
95
0

Применение оптических преобразователей для газоанализаторов при бурении скважин

Авторы статьи рассматривают проблему непрерывного контроля за технологическими процессами, связанными с взрывоопасными газами и парами, а именно использования газоанализаторов; проводят сравнительный анализ разработок, выявляя преимущества рассматриваемых технологий.

Применение оптических преобразователей для газоанализаторов при бурении скважин

В процессе бурения скважин могут возникать различного рода аварии. В том числе, связанные со сбоями технологических процессов.

 

Стоит отметить, что станция геолого-технологического исследования (ГТИ) должна располагаться от устья скважины на расстоянии не ближе, чем величина высоты вышки с добавлением ещё десяти метров. Таким образом, промежуток времени от отбора пробы до начала анализа составляет несколько минут (2-3 минуты при наличии в станции ГТИ высокопроизводительного насоса).

 

К наиболее часто встречающимся проблемам службы ГТИ организационно-0технического плана можно отнести:

- большое расстояние от устья скважины до станции ГТИ

- газовоздушная смесь транспортируется в станцию ГТИ по ГВЛ. Время от отбора пробы до начала анализа составляет несколько минут

- оборудование станции ГТИ требует периодической профилактики и технического обслуживания

- низкие расценки на производство работ приводят к нехватке средств для поддержания работоспособности станций, а также к огромной текучести кадров

- время анализа одной пробы в современных хроматографах станций ГТИ составляет несколько минут

Несмотря на то, что современные газовые хроматографы станций ГТИ обеспечивают высокую точность измерений, их принцип действия основан на последовательном разделении многокомпонентной газовой смеси на индивидуальные составляющие. Это достигается в результате различной адсорбционной способности компонентов газовой смеси. В результате время анализа одной пробы в современных хроматографах составляет несколько минут [2]. Решением этой проблемы может стать применение оптических инфракрасных газоанализаторов.

Данный принцип измерения основан на известном факте о том, что многие газы поглощают инфракрасные лучи и каждый из этих газов имеет определенный спектр поглощения. Сенсор состоит из источника ИК-света и датчика, между которыми установлены оптический фильтр и измерительная ячейка. Поступая в измерительную ячейку, газ поглощает некоторое количество инфракрасного света, а датчик при этом фиксирует снижение интенсивности поступающего ИК-света и на базе известной зависимости (калибровочной кривой) генерирует выходной сигнал [5].

Рисунок 1. Модель оптического инфракрасного газоанализатора

Оптический детектор обеспечивает нечувствительность газоанализатора к загрязнению оптики и старению излучателя, и позволяет генерировать сигнал необходимости проведения технического обслуживания.

Большая часть горючих газов, выделяющихся при бурении скважин на нефть и газ, являются углеводородами. Углеводороды поглощают излучение в определённом диапазоне длин волн, приблизительно от 3,3 до 3,5 мкм. При этом азот и кислород, составляющие основу окружающего нас воздуха, излучение с данными длинами волн не поглощают. Поэтому именно эта длина волны используется в оптических инфракрасных газоанализаторах углеводородных газов.

Кристалл измерительного детектора принимает только излучение с длиной волны 3,4 мкм, а опорный детектор 4,0 мкм. Углеводородные газы не поглощают излучение с длиной волны 4,0 мкм, поэтому опорный детектор обеспечивает нечувствительность газоанализатора к загрязнению оптики и старению излучателя, позволяет генерировать сигнал необходимости проведения технического обслуживания. 

Нечувствительность к полимеризирующимся и коррозийным веществам и отравителям катализа – является одним из важнейших преимуществ. Также, возможность обнаружения газов в бескислородной атмосфере и в атмосфере с низким содержанием кислорода и нечувствительность к водороду и дисульфиду углерода делает данный прибор более универсальным в использовании. А повышенная отказоустойчивость, нечувствительность к скорости потока газа и долговременная стабильность показаний позволяет проводить измерения там, где ранее это было затруднительно.

Также, газоанализатор представляет собой небольшой прибор, вес которого составляет всего несколько килограммов [4].

Рисунок 2. Схема оптического инфракрасного газоанализатора

Газоанализатор не требует специального постоянного обслуживания. Он требует лишь периодического контроля за состояниями систем. Всё это становится возможным благодаря прогрессивной электронике. В то же время, задача может быть упрощена с помощью ручного управляющего модуля


Главной задачей данной работы стало нахождение наиболее подходящего и универсального метода постоянного отслеживания концентрации довзрывоопасных концентраций (ДВК) горючих газов и паров.

Датчики ПДК (газоанализаторы) вредных веществ следует устанавливать в рабочей зоне на открытых площадках объектов бурения, добычи, технологических установок промысловой подготовки и транспорта нефти и газа, переработки газа и открытых БКУ, где есть источники возможного выделения газов и паров, относящихся по степени воздействия на организм человека [1].

Измерительную головку следует устанавливать в надлежащем месте, которое обеспечивает максимальную защиту. Вокруг газоизмерительной головки должна быть обеспечена свободная циркуляция воздуха. Газоизмерительную головку следует устанавливать, как можно ближе к месту возможной утечки газа:

выше точки возможной утечки при контроле газов или паров легче воздуха и как можно ближе к земле при контроле газов и паров тяжелее воздуха. Следует принимать во внимание условия циркуляции воздуха, характерные для данной зоны. Газоизмерительную головку нужно устанавливать в месте, где ожидается самая высокая концентрация газа. 

Рисунок 3. Возможные места установки газоанализатора

Большой проблемой инфракрасного газоанализатора является то, что он не имеет возможности детектировать газы, которые не поглощают ИК-излучения. Таковыми являются, например, водород, кислород, азот, хлор и одноатомные газы. Чтобы найти решение этой проблемы, можно обратить внимание на принцип работы термокаталитического газоанализатора [6].


Он основан на вычислении количества тепла, выделяемого при сгорании горючего газа или паров в катализаторе. Датчик состоит из двух чувствительных элементов – рабочего и компенсирующего. Рабочий элемент представляет собой спираль из драгоценного металла (как правило, платины) и катализатора, чувствительного к горючим газам. Воздушная смесь, содержащая горючий газ, вступает в реакцию с катализатором, увеличивая температуру элемента, и, как следствие, приводит к изменению электрического сопротивления спирали в почти линейной зависимости от концентрации газа. Компенсирующий элемент состоит из платиновой спирали и стекла, которое не обладает чувствительностью к горючим газам, и предназначен для компенсации окружающих условий [7].

Рисунок 4. Принцип работы термокаталитического газоанализатора

Внедрив данную систему в оптический детектор, мы получим универсальный газоанализатор, способный детектировать разного рода газы с одинаковой эффективностью.

Также существенным недостатком оптического газоанализатора является температурный режим, который более узкий по сравнению с датчиками иного принципа действия. Необходимо подобрать такой материал корпуса, который позволит использовать детектор в самых суровых условиях эксплуатации. При выборе стали было учтено несколько характеристик и выдвинуты некоторые условия к составу [8].

В состав стали должен входить молибден, который способен защитить от разрушения в морской воде и парах уксусной кислоты. Также, необходимо присутствие сплава железа и хрома, который образует на поверхности стали защитный слой, устойчивый к механическим и химическим воздействиям. Основополагающими элементами являются никель и титан. Первый отвечает за коррозийную стойкость, высокую прочность и пластичность. Второй же позволяет избежать межкристаллитной коррозии.

Данным условиям подходит сталь марки 316 L. Эта сталь устойчива к коррозии в агрессивных средах, а также к большинству внешних воздействий. Сталь 316 L имеет свойство сохранять целостность структуры при повышении и понижении температур. Эта нержавеющая сталь отлично показывает себя в сернокислотной среде, при оказании влияния на сплав органическими, фосфорными, жирными кислотами.

Данная марка стали, благодаря своим антикоррозийным показателям и механической прочности, применяется во многих промышленных отраслях.

Результаты данного исследования могут быть использованы непосредственно на практике в ближайшее время, начав обеспечивать беспрерывный контроль, так как чем быстрее и точнее измеряется концентрация газа, тем быстрее могут быть приняты меры, обеспечивающие безопасность объекта. 



Статья «Применение оптических преобразователей для газоанализаторов при бурении скважин» опубликована в журнале «Neftegaz.RU» (№4, Апрель 2022)

Авторы:
Комментарии

Читайте также