Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов

Актуальность. В последние несколько десятилетий достаточно остро стоит проблема разрушения почв из-за процессов эрозии. Изменение тех или иных факторов природной среды (водная или ветровая эрозия, антропогенная составляющая) приводит к изменению структуры и свойств почвенного тела. Почвы, расположенные в прибрежных территориях акваторий, уже априори могут испытывать воздействие эрозионных процессов, что также негативно может отражаться на качестве воды в акваториях, ведь смыв почвенных частиц с верхней, богатой органическими веществами, части почвенного профиля может привести к ускорению процессов эвтрофикации. К тому же рекреационная активность данных территорий только увеличивает антропогенную нагрузку на почвенный покров, тем самым усугубляя процессы деградации почв. Таким образом, важность всестороннего изучения проблем деградации почв из-за процессов эрозии и антропогенного фактора не вызывает сомнений.

Цель. Изучение степени деградации почвенного покрова при возможных процессах протекания водной эрозии с использованием комплекса современных методов магнитного анализа, включающих магнитометрию и коэрцитивную спектрометрию, а также определение содержания гумусового вещества в данных почвах.

Объект. Почвенные профили прибрежной к озеру Кандрыкуль (Республика Башкортостан) территории.

Методы. Магнитная восприимчивость получена с использованием MFK1 A Kappabridge (AGICO). Гистерезисные параметры исследуемых почвенных профилей были определены с помощью коэрцитивного спектрометра (J_meter). Для определения гумуса в почве применялся метод Тюрина.

Результаты. По данным магнитной восприимчивости и определению содержания гумусового вещества изученные почвенные профили можно разделить на аккумулятивный (профили 2, 6, 7, 10) и элювиально-иллювиальный (профили 1, 3, 4, 8, 9) типы распределения магнитных компонентов и гумуса. Согласно диаграмме Дэя–Данлопа, магнитные зерна образцов изученных почвенных профилей относятся к категории псевдооднодоменных частиц.

Выводы. По результатам измерений магнитной восприимчивости и анализу содержания гумусового вещества показано, что изученные почвенные профили определяются аккумулятивным и элювиально-иллювиальным типом распределения магнитных составляющих и гумуса. Показано, что ферромагнитная компонента вносит основной вклад в магнитную восприимчивость. Методом коэрцитивной спектрометрии показано, что магнитные зерна в исследуемых почвенных профилях представляют собой псевдооднодоменные частицы, что может говорить об их педогенном происхождении.

Актуальность. Определяется необходимостью создания реагентных систем на основе сырьевых ресурсов отечественного происхождения. Особенностью разработанной ингибирующей системы является использование лигносульфоната как продукта «зеленой химии». Лигносульфонат является побочным продуктом химической переработки природного полимера – древесины. В зависимости от породы перерабатываемой древесины и способа ее делигнификации характеристики лигносульфонатов варьируются по показателю таннидности (дубящие свойства 12–36 %), по содержанию редуцирующих сахаров (3–16 %), по содержанию сухих веществ (46–52 %), по цветности концентрата и по ингибирующей способности в отношении солей кальция (от 45 до 60 %).

Цель. Подбор модификатора матрицы лигносульфоната для получения ингибитора солеотложения с защитой более 90 %.

Методы. Технология Turbiscan, основанная на многократном оптическом сканировании виалы с образцами лигносульфонатной системы по высоте с регистрацией двух профилей: пропускания и обратного рассеивания лазерного излучения.

Результаты и выводы. Проведена модификация матрицы лигносульфоната фосфоновыми функциональными группами оксиэтилидендифосфоновой кислоты (этидроновая кислота), способными создавать соединения с пропановой цепочкой мономерного звена лигносульфоната (фенилпропановая единица). Эффективность ингибирующей способности лигносульфонатной системы определяется расчетным путем по показателю TSI (Turbiscan Stability Index), характеризующему седиментационную стабильность испытуемых образцов. Стабильность образцов определяется профилями изменений сигналов по высоте образца и во времени испытания и используется для количественной интерпретации изменений, проходящих в исследуемом образце. Наилучшие результаты (92 %) получены на основе лигносульфонатоа нейтрально-сульфитного способа получения с высоким содержанием редуцирующих сахаров при содержании добавки ингибитора солеотложения не более 50 мг/л. Предположительно, полученные соединения квалифицируются как сложные эфиры спиртовых групп лигносульфоната и фосфоновых групп реагента-модификатора.

Актуальность. Загрязнение окружающей среды мусором до сих пор остается одной из самых актуальных проблем современного мира. Важной частью ее решения является правильная сортировка мусора, которая позволяет снизить объем отходов, а также упрощает их переработку и утилизацию. Автоматическая сортировка мусора позволяет снизить использование ручного труда, а также возможность инфицирования работников. Проектирование автоматического классификационного мусорного бака позволит решить задачу сортировки уже на стадии образования отходов, ускоряя процесс обезвреживания.

Цель. Автоматическое распознавание материала отходов и последующее распределение мусора по соответствующим контейнерам станет важным шагом в направлении создания более устойчивой и экологически чистой системы управления отходами.

Методы. Разработка системы автоматической сортировки мусора на основе Arduino. При помощи датчиков Arduino обрабатывает полученные данные и отправляет команду исполнительному устройству на перемещение мусора в соответствующий контейнер.

Результаты и выводы. Создано два прототипа системы сортировки мусора. Первый прототип был оснащен меньшим количеством датчиков, что снижало его способность точно различать типы мусора. После внесения значительных улучшений была развернута работа над вторым прототипом. Этот прототип отличается надежностью электронной обработки и может продуктивно функционировать в любых погодных условиях благодаря тщательно продуманному корпусу. Относительно высокая точность при тестировании показывает, что предложенная модель способна эффективно сортировать отходы, сокращая ручной труд и ускоряя процесс утилизации. Она имеет жизненно важное научное значение и прикладную ценность.

Актуальность исследования обусловлена необходимостью оценки влияния постоянного и переменного электрического поля на физико-химические свойства различного типа вод, на объемную скорость фильтрации жидкостей из сильноглинистых пористых сред и на коэффициент вытеснения нефти водой.

Цель: исследование влияния постоянного и знакопеременного электрического поля на водородный показатель и межфазное натяжение водных электролитов различной природы, а также на проницаемость пористой среды и коэффициент вытеснения нефти в условиях, моделирующих упомянутый выше пласт кирмакинской свиты.

Объекты. Эксперименты проводились на специально сконструированной установке, позволяющей производить измерения как в постоянном, так и в переменном электрическом поле, с учетом перепада давления. Корпус модели пласта был изготовлен из органического стекла в виде трубки с варьируемой длиной 0,3–0,7 м и диаметром 0,025 м с вмонтированными на входе и выходе электродами из нержавеющей стали. Исследования посвящены влиянию постоянного и знакопеременного электрического поля на водородный показатель и межфазное натяжение водных электролитов различной природы, а также на проницаемость пористой среды и коэффициент вытеснения нефти в условиях, моделирующих упомянутый выше пористый пласт кирмакинской свиты.

Методы. Наличие внешнего электрического поля оказывает существенное влияние на результирующее значение водородного показателя (рН) и величину межфазного натяжения водных электролитов на границе с углеводородной фазой, чем способствует, по аналогии с реагентной обработкой нефтяных коллекторов, увеличению их проницаемости. При исследовании процессов вторичной миграции нефти в низкопроницаемых водонасыщенных коллекторах отмечается практическое отсутствие факторов напорной фильтрации и подчеркивается доминирование диффузионно-осмотического и электрокинетического факторов при их протекании. Наличие электроосмотического передвижения нефти в различных дисперсных породах (песчано-алевритах и глинах) под действием внешнего электрического поля было доказано экспериментально, а возможность вытеснения нефти фронтом водного раствора электролитов через пористые мембраны различной капиллярно-пористой природы обсуждалась в работе.

Результаты. На основании совокупности приведенных результатов можно прийти к важному с практической точки зрения выводу: путем направленного воздействия внешнего электрического поля с регламентированными параметрами напряженности на вторичный процесс извлечения нефти водными электролитами можно существенно увеличить значение коэффициента вытеснения труднопроницаемых коллекторов, в частности высокоглинистых коллекторов кирмакинской свиты.

Актуальность работы обусловлена необходимостью установления селективного влияния отдельных параметров структуры и гетероатомных функциональных групп в структуре асфальтеновых молекул на процессы их агрегации для разработки эффективных способов предотвращения осадкообразования в технологическом оборудовании на стадиях добычи, транспорта и переработки тяжелого углеводородного сырья.

Цель: установить влияние структурно-группового состава, концентрации основного азота в асфальтеновых веществах на их коллоидную стабильность.

Объекты: тяжелая нефть Республики Татарстан (плотность при 20 °С – 940,0 кг/м³; вязкость при 20 °С – 742,9 сСт), модельные нефтяные системы с содержанием основного азота 1, 2, 3 мас. %, асфальтены исходной и модельных нефтяных систем и продуктов их термолиза.

Методы: жидкостная адсорбционная хроматография, потенциометрическое титрование, элементный анализ, криоскопия в нафталине, спектроскопия ЯМР ¹Н, структурно-групповой анализ, спектрофотометрия в видимой области.

Результаты. Получены синтетические асфальтеноподобные азотистые основания посредством термолиза модельных нефтяных систем с различным содержанием основного азота (хинолина) при температуре 400 °С в течение 4 часов. В процессе термолиза модельных нефтяных систем в молекулярную структуру синтетических асфальтеноподобных веществ дополнительно встраивается 0,3–0,8 мас. % основного азота. Молекулярная масса синтетических асфальтеноподобных веществ в два раза ниже относительно асфальтенов исходной нефти. С увеличением в синтетических асфальтеноподобных веществах основного азота возрастает фактор ароматичности на 2–3 % со снижением доли парафинового углерода. Установлено, что асфальтены из термически преобразованной нефти в два раза более устойчивы к седиментации по сравнению с исходными асфальтенами, в связи с двукратным снижением их средней молекулярной массы. Показано, что скорость седиментации синтетических асфальтеноподобных азотистых оснований в два–три раза ниже по сравнению с исходными асфальтенами. Установлено, что коллоидная стабильность синтетических асфальтеноподобных веществ повышается с увеличением в их молекулярной структуре содержания N_осн.

Актуальность. При стандартной интерпретации материалов промысловой геофизики иногда возникают проблемы несоответствия результатов интерпретации результатам испытаний пластов. Продуктивные нефтегазонасыщенные интервалы интерпретируются как водонасыщенные и пропускаются, причем данное явление обусловлено образованием низкоомных коллекторов в результате формирования в породе поверхностной электрической проводимости. При отсутствии каменного материала традиционным методом невозможно определить долю электрической проводимости поверхностного слоя, что приводит к ошибочному вычислению остаточной водонасыщенности.

Целью настоящей работы является развитие уникального алгоритма вычисления удельного электрического сопротивления смеси поверхностного слоя и воды (по данным геофизических исследований скважин) в проницаемых терригенных породах нефтенасыщенных низкоомных коллекторов, связанных с процессами вторичного геохимического преобразования.

Метод исследования заключается в разработке математического алгоритма вычисления удельного электрического сопротивления смеси поверхностного слоя и воды на основе формулы Б.Ю. Вендельштейна в рамках модели параллельного соединения и редуцированного уравнения удельным электрическим сопротивлением поверхностного слоя эпигенетически преобразованного песчаника. При постоянных минерализации и температуре интервала в редуцированном уравнении поверхностного слоя переменной величиной является параметр относительной концентрации зарядов. Для вычисления этого параметра предложен метод статистически-корреляционной интерпретации материалов геофизических исследований скважин, позволяющий вычислять содержание калия в песчаной породе. После поточечного определения содержания калия (C_K) по отрицательно-корреляционной степенной зависимости удельного электрического сопротивления с (C_K) выявляется уравнение тренда, где определяются три параметра: величина степени и величины максимальной и минимальной концентраций калия. На основании этих трех значений вычисляется параметр относительной концентрации зарядов в поверхностном слое с соответствующим вычислением его удельного электрического сопротивления. Усредненная (по интервалу) величина доли поверхностного слоя в порах определяется по данным каротажных диаграмм.

Результаты. На основе полученного уравнения удельного электрического сопротивления смеси построены теоретические зависимости, подтверждающие релевантность предложенного алгоритма и валидность результатов его применения. В низкоомных коллекторах четырех пластов различных скважин вычислены удельные электрические сопротивления смеси, приращенные удельные электрические сопротивления и на основе уравнения Дахнова–Арчи определены коэффициенты остаточной водонасыщенности и нефтенасыщенности, соответствующие результатам испытаний пластов.

Выводы. Сопоставление результатов определения характера насыщения пластов, вычисленного на основе предлагаемого алгоритма, с эмпирическими результатами испытания пластов показали их соответствие между собой с высокой степенью достоверности.

Рассмотрена математическая модель регулирования величины реактивной мощности для снижения потерь активной мощности на предприятиях с непрерывным циклом производства. Приведены основные теоретические положения, математический аппарат и результаты, полученные в ходе исследования. Анализируется влияние оптимизации величины реактивной мощности на общую эффективность электропотребления предприятия, предлагаются практические рекомендации по внедрению разработанной модели в производственные процессы.

Актуальность. Непрерывные производственные процессы особенно чувствительны к стабильности и надежности электроснабжения, а также к качеству поставляемой электроэнергии. Для промышленных предприятий с непрерывным циклом производства характерна высокая энергоемкость процессов, снизить которую можно за счет регулирования величины реактивной мощности, вследствие чего уменьшаться потери активной мощности, повысится общая эффективность использования энергии, снизятся производственные издержки, улучшатся экологические показатели.

Цель. Разработка и апробация математической модели, предназначенной для снижения потерь активной мощности с помощью регулирования величины реактивной мощности на предприятиях с непрерывным циклом производства. Исследование направлено на выявление оптимальных параметров и условий регулирования величины реактивной мощности, которые обеспечат минимальные потери электроэнергии и максимальную эффективность работы электрооборудования.

Методы. При разработке математической модели применены классические методы оптимизации Лагранжа. На их основе выполнен анализ текущего состояния управления величиной реактивной мощности, а также разработана математическая модель, учитывающая специфику непрерывного производства. Модель включает в себя уравнения баланса мощностей, ограничения по параметрам оборудования и режимам работы предприятия. Для нахождения оптимальных значений реактивной мощности используются методы оптимизации, такие как линейное и нелинейное программирование.

Результаты. Разработана математическая модель, учитывающая особенности непрерывных производственных процессов и позволяющая оптимизировать распределение величины реактивной мощности. Экспериментальные исследования показали, что применение разработанной модели приводит к значительному снижению потерь активной мощности, увеличению коэффициента мощности и снижению общих энергетических затрат предприятия. Практическая реализация предложенных методов позволила сократить потери активной мощности примерно на 25 % в зависимости от условий производства.

Актуальность. Геолого-гидродинамическое моделирование является неотъемлемой частью проектирования разработки месторождений. Процесс адаптации геолого-гидродинамической модели к историческим показателям разработки является многоитерационным и сопровождается наличием высокой степени неопределенности геологических параметров. От качества адаптации модели напрямую зависит достоверность прогнозных показателей, на основании которых принимаются ключевые проектные решения. Одним из основных макропараметров при адаптации модели является вид кривых относительных фазовых проницаемостей. Оптимизация настройки данного макропараметра позволит существенно сократить затраты ресурсов и времени при адаптации геолого-гидродинамической модели.

Цель. Разработка подхода автоматической настройки кривых относительных фазовых проницаемостей.

Методы. Геолого-гидродинамическое моделирование, математическое моделирование, статистические методы.

Результаты и выводы. Представлен подход автоматической настройки кривых относительных фазовых проницаемостей под динамику разработки залежи. Реализация подхода выполнена в виде машинного кода на языке программирования Python. Первичная апробация проведена на шести залежах с терригенным и карбонатным типом коллектора месторождений Волго-Уральской и Тимано-Печорской нефтегазоносных провинций. Отмечена высокая сходимость фактических кривых относительных фазовых проницаемостей, настроенных в процессе многоитерационной адаптации гидродинамической модели, с расчетными модельными кривыми. На следующем этапе проведена апробация методики на сложнопостроенном карбонатном объекте с высокой вязкостью флюида. Установлено, что в рамках одной итерации удалось с высокой степенью сходимости настроить интегральные параметры добычи нефти и обводненности. Разработанный подход позволяет значительно сократить время настройки кривых относительных фазовых проницаемостей на динамику разработки залежи путем использования разработанного программного модуля.

Актуальность. Метод дендрогеохимии позволяет определить концентрацию химических элементов в годовых кольцах деревьев. В рамках данной работы была проведена пространственно-временная реконструкция ртутного загрязнения локального и регионального происхождения.

Цель. Определение особенностей распределения Hg в пространстве и на протяжении длительного времени с целью выявления основных факторов, влияющих на накопление Hg годовыми кольцами сосны, а также установление и выяснение закономерностей в аккумуляции Hg на каждой исследуемой территории. Объектом исследования является керн сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L.), (Томская, Иркутская области, Республика Бурятия) и сосны далатской (Pinus dalatensis Ferré) (Социалистическая Республика Вьетнам).

Методы. Для исследования отобраны десять кернов в диапазоне календарных лет с 1930 по 2022 гг. Отбор проб проводился с помощью возрастного бурава Haglof. Количество и ширина годовых колец определены с точностью до 0,001 мм на приборе LINTAB в Институте мониторинга климатических и экологических систем СО РАН (г. Томск). Аналитика ртути выполнена на ртутном анализаторе РА-915+ методом атомной абсорбции (метод пиролиза) на базе Инженерной школы природных ресурсов Томского политехнического университета.

Результаты и выводы. На аккумуляцию Hg древесиной сосны обыкновенной и сосны далатской на исследованных территориях влияние оказывают как природные, так и антропогенные факторы: естественная эманации Hg вследствие дегазации земной коры (Иркутская область и Республика Бурятия); локальный техногенез (Томская область), а также военные действия с применением химического оружия (Республика Вьетнам). В ходе исследования выполнена оценка динамики накопления Hg древесиной на протяжении 93 лет (1930–2021/2023 гг.). В период с 1930 и до конца 1960-х гг. наблюдаются повышенные средние содержания элемента на всех исследованных территориях. Повышенные концентрации Hg в данный период на территории Республики Вьетнам обусловлены трансграничным переносом ртути из континентальной части Восточной Азии, а также применявшимся в ходе войн химическим оружием; на территории России – ростом промышленного производства в годы Великой отечественной войны и послевоенного восстановления страны, а также сейсмичностью и геологическими условиями.

Актуальность. Проблемы, возникающие при разработке топливных композитов и заключающиеся в определении оптимального соотношения горючих компонентов, решаются при исследовании их физико-химических и эксплуатационных свойств. Особое внимание необходимо уделять процессам воспламенения и горения аэровзвеси топливных составов.

Цель. Реализация данных задач видится в разработке экспериментальной методики прогнозирования некоторых показателей углей и углеотходов на основе методологии анализа видеофайлов воспламенения аэровзвеси в виде графической визуализации процесса горения. Методы. Методика оценки и прогнозирования некоторых показателей углей и углеотходов, полученных на основе методологии анализа видеофайлов воспламенения аэровзвеси в виде графической визуализации процесса горения.

Результаты и выводы. Получена зависимость прогнозной величины определения коэффициента избытка воздуха для углей и углеотходов. Разработана методология графической визуализации процесса горения аэровзвеси углей и углеотходов. Проведено исследование Кузнецкого угля марки Д, и даны описания его горения в случае сжигания в активных гидродинамических режимах. Разработанный метод оценки и прогнозирования некоторых показателей углей и углеотходов, полученных на основе методологии анализа видеофайлов воспламенения аэровзвеси в виде графической визуализации процесса горения, показал свою эффективность. Он показал хорошее распределение по всему объему пылеугольных частиц в газопылевом облаке, демонстрируя устойчивое и эффективное горение топливной системы. Конвективные потоки в реакционной камере не разрывают формирующийся фронт горения. Графическая визуализация процесса горения показала, что в процессе горения наблюдается минимальное время деструктивных процессов, происходящих в угольных частицах, что говорит об эффективном тепломассопереносе. Для исследуемой системы Кузнецкого угля марки Д оптимальное соотношения горючее–окислитель α составляет 1,25. Окислительные реакции в этом случае протекают в более короткое время, что характеризуется ростом давления в реакционном объеме.