Том 335, № 4 (2024)

Актуальность исследования заключается в необходимости изучения образования асфальтеновых отложений в нефтедобывающих скважинах. Среди известных методов борьбы с данными осложнениями наибольший интерес вызывает оптимизация технологического процесса добычи нефти для предупреждения или снижения интенсивности образования данных отложений.

Цель: изучить возможность построения кривой образования асфальтеновых отложений на лабораторной установке «Wax Flow Loop» и определить возможность оптимизации технологии добычи нефти с целью предупреждения образование данных отложений.

Методы: лабораторные исследования на установке «Wax Flow Loop», моделирование на основании компонентного состава нефти в программном продукте «PVTsim», расчеты в программном продукте «Инженерный симулятор технологических процессов». Результаты. По результатам лабораторных исследований и численных расчетов построена кривая образования асфальтеновых отложений, корректность которой валидирована на фактических данных о закупоривании добывающей скважины. Выполненный расчет влияния установки электроцентробежного насоса и штуцирования скважины на кривую образования асфальтеновых отложений показал, что первая технология изменения процесса добычи нефти позволяет значительно снизить интенсивность образования асфальтеновых отложений за счет внесения дополнительной энергии. Вторая технология лишь незначительно смещает термобарические условия добычи жидкости, что не оказывает существенного влияния на интенсивность образования асфальтеновых отложений. Выводы. Лабораторная установка «Wax Flow Loop» позволяет корректно формировать кривую образования асфальтеновых отложений в лифтовой колонне нефтедобывающих скважин. При корректном моделировании и выполнении численных расчетов глубинно-насосного оборудования методы оптимизации технологии добычи нефти позволяют предупредить образование асфальтеновых отложений

Актуальность исследования связана с поиском путем полезного использования углеродистых остатков термической переработки рисовой шелухи, которые из-за высокого содержания кремния в неорганической части потенциально могут быть применены для получения карбида кремния – важного функционального материала для различных областей науки и техники. Полезная утилизация такого рода отходов позволит не только решить экологическую проблему, связанную с их неэффективным использованием и захоронением, но и получить полезные продукты в виде объемных керамических изделий на основе карбида кремния.

Цель: получить объемные изделия на основе SiC из углеродистых остатков термической переработки рисовой шелухи методом искрового плазменного спекания с минимальным количеством дополнительных этапов обработки исходного сырья. Объекты: объемные изделия на основе SiC, полученные с использованием углеродистых остатков термической переработки рисовой шелухи. Образцы получены методом искрового плазменного спекания при температуре 1800 °C, давлении 60 МПа и времени выдержки 10 минут.

Методы: искровое плазменное спекание; рентгеновская дифрактометрия (рентгенофазовый анализ); сканирующая электронная микроскопия; безвакуумный электродуговой метод синтеза. Результаты. Проведены экспериментальные исследования по оценке возможности прямого использования углеродистого остатка термической переработки рисовой шелухи в качестве прекурсора для синтеза карбида кремния в объемном (керамика) и дисперсном (порошок) виде. Реализована серия экспериментов по искровому плазменному спеканию углеродистого остатка термической переработки рисовой шелухи в исходном и размолотом виде, с добавками кварцевого песка SiO₂, а также с использованием порошков на основе карбида кремния, синтезированных из углеродистого остатка безвакуумным электродуговым методом. Последний осуществляется в ходе одностадийного быстропротекающего процесса в воздушной среде и не требует применения системы вакуумирования. С его помощью получены дисперсные продукты с содержанием карбида кремния свыше 60 мас. %. Предварительные результаты продемонстрировали возможность получения объемных изделий и дисперсных порошков на основе карбида кремния с содержанием не менее 50 и 60 мас. %, соответственно, и свидетельствуют о перспективах дальнейшего повышения фазовой чистоты за счет оптимизации процессов искрового плазменного спекания и безвакуумного электродугового синтеза.

Актуальность работы обусловлена важностью минимизации потребления электроэнергии на промышленных предприятиях с непрерывным характером производства с учетом особенностей технологических процессов на них и требований сохранения объема выпускаемой ими продукции.

Цель: решить задачу минимизации потребления электрической энергии на основе математической модели и градиентного метода в условиях оптимального планирования объема продукции, выпускаемой на промышленными предприятиями с непрерывным характером производства; разработать математическую модель оптимального распределения продукции за цикл времени (месяц, квартал, год) по цехам с учетом простых и функциональных ограничений, исходя из условия обеспечения минимального потребления электроэнергии на промышленных предприятиях с непрерывным характером производства. Методы. При разработке математической модели обеспечения минимального потребления электроэнергии при сохранении объема производимой продукции применены классические методы оптимизации Лагранжа, а с целью обеспечения достаточной точности расчета – итерационные методы. Для рассматриваемой задачи предполагалась и установлена погрешность расчета на уровне ε=0,1. Известно, что выбор значения погрешности расчета зависит от особенностей решаемой задачи и лица, принимающего решение. Для проверки адекватности разработанной модели был использован метод отыскания относительного экстремума функции нескольких переменных. Результаты. Использование математической модели, учитывающей характер технологического процесса и граничные условия в простой и интегральной форме, показало целесообразность оптимального планирования электропотребления предприятием. Эффективность разработанных подходов проверена на примере металлургического предприятия как промышленного предприятия с непрерывным характером производства при решении задачи минимизации расхода электроэнергии на продукцию, производимую в течение отчетного периода. Использование предложенной модели позволило снизить годовое потребление электроэнергии на 2,5 % при сохранении неизменным объема производства продукции. Один из классических методов оптимизации – метод отыскания относительного экстремума функций нескольких переменных – при проверке показал практически такие же результаты. Это еще одно свидетельство адекватности предложенной модели.

Актуальность исследования обусловлена тем, что в литературных источниках отсутствуют какие-либо данные не только о коэффициентах кристаллизации, но и о характере соосаждения америция (III) на оксалате кальция. Реакция соосаждения америция с оксалатом кальция применяется для концентрирования микроколичеств америция в связи с малой растворимостью оксалата кальция и его адсорбционной способностью. В связи с этим безусловный интерес вызывает изучение механизма соосаждения микроколичеств америция с оксалатом кальция, а также изучение выделения микроколичеств америция с помощью носителя – кальция – и последующее отделение его от носителя. Цель. Исследование механизма соосаждения америция на твердом сорбенте – оксалате кальция, описание равновесия изотермы сорбции с использованием моделей Ленгмюра и Фрейндлиха. Методы. При проведении исследований по установлению механизма соосаждения америция на носителе – оксалате кальция – квалификация используемых химических реактивов соответствовала требованиям марки не ниже х.ч. В работе использовали изотоп америция-241, состав твердой фазы носителя – оксалата кальция – соответствовал формуле СаС₂О₄·Н₂О. Концентрацию катионов америция (III) в исходном растворе и в фильтрате определяли гамма-спектрометрическим методом с использованием спектрометрического комплекса СКС-07П, количество кальция – комплексонометрическим титрованием с мурексидом в качестве индикатора, концентрацию оксалат-иона – перманганатометрическим методом. Результаты. Установлено, что соосаждение из нитратных растворов америция (III) на оксалате кальция в большей степени обусловлено адсорбцией микрокомпонента – америция (III) – на поверхности имеющегося или вновь образующегося осадка макрокомпонента – оксалата кальция. Определено, что модель уравнения Ленгмюра адекватно описывает процесс сорбции, поскольку обработка экспериментальных данных методом наименьших квадратов показала, что в координатах С/A=f(С) изотерма сорбции описывается уравнением прямой с высоким коэффициентом корреляции более 0,95.

Актуальность исследования обусловлена необходимостью определения достоверного поля распределения давления и векторов скорости фильтрации флюида внутри перфорационного канала и в окружающей его породе-коллекторе.

Цель: на основе численного конечно-элементного моделирования течения флюида внутри перфорационного канала и фильтрации его в окружающей породе-коллекторе выявить закономерности распределения давления и векторов фильтрации жидкости в перфорационном канале, на его стенках и в околоскважинной зоне. Объекты: околоскважинная зона карбонатного коллектора одного из нефтяных месторождений юга Пермского края, включающая перфорационные каналы.

Методы: численный конечно-элементный метод расчета течения и фильтрации жидкости в околоскважинной зоне с учетом геометрии перфорационных каналов. Результаты. Рассмотрены основные соотношения, используемые при численном моделировании течения и фильтрации жидкости в программном комплексе конечно-элементного моделирования ANSYS. Разработана конечно-элементная схема околоскважинной зоны, включающая кумулятивные перфорационные каналы и учитывающая их геометрические характеристики, а также тот факт, что внутри отверстий моделируется течение жидкости в открытом пространстве с помощью уравнений Навье–Стокса, а в окружающей их породе-коллекторе – на основе уравнений фильтрации и закона Дарси. Проведены численные расчеты, на основе которых получено распределение давления, скоростей течения и фильтрации флюида внутри каналов и в околоскважинной зоне в целом. Расчеты производились при вариации величины давления в скважине (или депрессии на пласт), а также для различной величины проницаемости пласта. Результаты расчетов показали, что для фактических значений депрессии на пласт в 10 МПа и проницаемости коллектора 50 мД величина изменения давления внутри перфорационного канала не превысит 0,01 МПа, т. е. можно предположить, что внутри отверстия оно практически не меняется. Отмечено, что максимальное значение скорости фильтрации соответствует вершине перфорационного канала, и затем ее значение уменьшается по мере приближения к стенке скважины. Сделан вывод о том, что при дальнейшем моделировании напряженно-деформированного состояния околоскважинной зоны с учетом каналов кумулятивной перфорации на поверхности отверстий допустимо задавать постоянную величину давления, равную давлению в скважине, а не логарифмическое или какое-либо другое его распределение.

Актуальность Парогазовые потоки от техногенного вещества (складированных отходов горнорудной промышленности), переносящие значительное количество потенциально токсичных элементов, представляют большую проблему для окружающей среды и населения, т. к. металлы и металлоиды в составе эманаций находятся в легкоусвояемой биодоступной форме и способны легко проникать в живые организмы.

Цель: оценка токсичности для живых организмов воздушных смесей, содержащих газообразные продукты, выделяемые техногенным веществом, свободно расположенным вблизи населенных пунктов и находящимся под воздействием климатических факторов и микроорганизмов. Объекты: вещество арсенидных отходов комбината Тувакобальт и парогазовые эманации от него.

Методы: проведение экспериментов с белыми крысами-самцами линии Вистар, анализ органов на содержание широкого круга элементов методом ИСП-МС на масс-спектрометре NexION 300D (PerkinElmer, США) (Проблемная научно-исследовательская лаборатория гидрогеохимии «Вода» Инженерной школы природных ресурсов Томского политехнического университета). В эксперименте использовалась объединенная проба вещества отходов. Проба была проанализирована на содержание оксидов силикатной группы методом РФА на рентгенофлуоресцентном спектрометре ARL-9900-XP (Thermo Electron Corporation, Switzerland) в лаборатории рентгеноспектральных методов анализа Института геологии и минералогии им. В.С. Соболева СО РАН, элементный анализ проводился методом ИСП-МС на приборе ELAN-9000 DRC-e, Perkin Elmer, USA (ХАЦ «Плазма»). Результаты. При воздействии парогазовых эманаций от вещества арсенидных отходов комбината Тувакобальт на группу крыс-самцов линии Вистар в опытной группе произошли патологические изменения. В легких образовались мелкие очаги кровоизлияний, ткани стали отёчны и воспалены. Печень у всех животных увеличилась, стало резко выражено долевое строение, цвет стал светло-бежевым. В почках обнаружены единичные кровоизлияния. Сосуды мозговых оболочек расширены, наблюдаются петехиальные кровоизлияния. Была нарушена синтетическая функция клеток и стабильность клеточных и внутриклеточных мембран, в первую очередь пострадал эндотелий кровеносных сосудов, было нарушено физиологическое функционирование органов и тканей с накоплением промежуточных продуктов биохимических реакций, определяемое макроскопически. Также определялась дистрофия внутренних органов, в частности печени, лёгких, почек, головного мозга. Элементный анализ органов животных показал накопление токсичных элементов по сравнению с контрольной группой. Наиболее характерные элементы, превышение по которым зафиксировано в большинстве случаев, – это ртуть и мышьяк. Они неравномерно распределялись по органам. Ртуть главным образом накапливалась в легких, почках и печени, а мышьяк – преимущественно в печени и мозге. Это может свидетельствовать о попадании ионов ртути и мышьяка в биологически доступной форме в кровоток ингаляционным путём, причём локальное раздражающее и токсическое воздействие на легкие не было превалирующим, а наиболее повреждённым органом являлась печень по результатам токсикохимического и морфологического исследований. Гомеостаз микро- и макроэлементов тонко отрегулирован, и любой концентрационный дисбаланс в виде дефицита приводит к прогрессирующему снижению и нарушению нормальной биологической функции, к тяжелым физиологическим и клиническим исходам, что и наблюдалось по результатам опыта. Полученные данные доказали острое токсичное воздействие парогазовых потоков на живые организмы, а также подтвердили возможность выноса многих химических элементов в легкодоступной и усвояемой формах.

Актуальность. Применение мазутного топлива на энергетических установках характеризуется повышенными значениями недожога и антропогенных выбросов. Одним из способов снизить антропогенные выбросы является использование водомазутных эмульсий. Также для сокращения антропогенных выбросов и улучшения характеристик горения топлива используются дополнительные специализированные присадки. Цель. Исследование направлено на определение оптимальной присадки к мазутному топливу для снижения антропогенных выбросов и времен задержки зажигания. Методы. В состав водомазутного топлива добавляли присадки: ИОН-М, Роснефть P503B3, Роснефть Р502В1 (относительная массовая концентрация 0,5 %). Определены физико-химические свойства мазута М-100, а также элементарный состав CHNSO. Установлены реологические характеристики составов водомазутных топлив. С помощью высокоскоростной съемки определены времена задержки зажигания капель. С помощью газоанализатора определены антропогенные выбросы. Результаты и выводы. Результаты проведенных исследований показали, что присадка на основе особого сочетания положительно и отрицательно заряженных ионов (ИОН М) снижает времена задержки зажигания на 20–60 % при варьировании температуры газовой среды в диапазоне от 700 до 900 °С. Добавление присадки на основе жирных растительных кислот (P502B3) снижало времена задержки зажигания на 7–10 % при изменении температуры в диапазоне от 700 до 900 °С относительно водомазутного топлива. Установлено, что использование присадки P502B1 в водомазутном топливе позволило снизить времена задержки зажигания на 15–50 %. Определено, что в присутствии катализаторов горения вода связывается с тяжелыми углеводородами и тем самым выход летучих веществ происходит быстрее, т. е. подведенная теплота не тратится на прогрев воды в капли, а равномерно воздействует на весь объём топлива. Результаты исследований антропогенных выбросов показали, что использование присадок при сжигании водомазутного топлива снижает концентрации CO, CO₂, NO, SO₂ на 8, 6, 10 и 13 %, соответственно, по сравнению с мазутом.

Актуальность исследования заключается в том, что необходимо экспериментально подтвердить работоспособность алгоритма перемещения выбранного сортимента леса с повышенной точностью к соответствующему бункеру-накопителю в технологическом процессе его сортировки на зимних складах лесоперерабатывающих предприятий. Цель. Исследования процесса перемещения штучного груза на физической модели продольного цепного или ленточного транспортера, обеспечивающего масштабированное снижение ошибки позиционирования. При сортировке круглого леса на цепных продольных транспортерах значительной протяженности возникает ошибка перемещения выбранного сортимента круглого леса к месту сброса в накопитель, которая увеличивается пропорционально длине сортировочной линии. В настоящее время используются транспортеры ограниченной протяженности. Накопители располагаются с двух сторон транспортера. Это уменьшает ошибку транспортировки. Иногда сортировочная площадка не позволяет разместить на ней короткий транспортер с двухсторонней выгрузкой, или требуется отсортировать значительное количество пород леса. В этом случае необходимо использовать транспортер большей длины. В статье предлагается новый способ, алгоритм и устройство управления для сортировки круглого леса на продольных цепных транспортерах значительной протяженности. Это уменьшает ошибку слежения перемещения сортимента вдоль транспортера. В качестве датчиков угловых перемещений ведущего и ведомого валов ленточного транспортера используются оптоэлектронные датчики их угловых перемещений.

Методы: физическое моделирование, информационно-статические методы обработки. Результаты и выводы. Проведен анализ структуры стенда физического подобия продольного транспортера; датчиков технологического процесса, а именно, угловой частоты вращения; программно-аппаратных средств обработки полученной информации для минимизации ошибки транспортирования штучного груза на ленте транспортера. Результаты исследования подтверждают возможность практического применения устройства для работы на продольных транспортерах.

Актуальность. Рациональный выбор бурового инструмента является одним из составляющих положительного результата геологоразведочных, горных, буровых работ. На современный буровой инструмент возлагается функция комплексного решения проблем, возникающих в процессе бурения скважин. Сегодня имеется достаточно большое разнообразие конструкций породоразрушающего бурового инструмента. Однако научные достижения в усовершенствовании материальной и технической производственной базы способствуют развитию буровой техники и созданию новых, более эффективных конструкций инструмента. Наиболее перспективным и эффективным при работе в различных горных условиях является алмазный буровой инструмент. В ходе эксплуатации такого инструмента немаловажным является процесс циркуляции промывочной жидкости, особенно в призабойной зоне сооружаемой скважины. Поэтому при проектировании новых конструкций алмазного породоразрушающего инструмента необходимо учитывать не только прочностные, режущие, стабилизирующие его свойства, но и возможность эффективного течения жидкости в циркуляционной системе, т. е. без затрат энергии потока на преодоление сопротивлений, с достаточной производительностью по выносу шлама и необходимым уровнем охлаждения, смазки и реализации других функций очистного агента, способствующих повышению результатов бурения. При этом современные методы проектирования бурового инструмента должны учитывать влияние промывочной жидкости, ее свойств, характера течения на механизм разрушения горных пород. Таким образом, возникает необходимость тщательного исследования характера протекания гидродинамических процессов в зоне контакта резцов инструмента с горной породой. Конструкция режущей поверхности бурового алмазного инструмента рассматривается как зона влияния гидродинамических процессов на характер взаимодействия резцов с горной породой, в качестве доводов приводится анализ результатов исследований как самого автора, так и известных мировых производителей алмазного бурового инструмента. Целью работы является исследование влияния конструктивных особенностей существующего алмазного бурового инструмента на характер течения жидкости в призабойной зоне скважины в процессе бурения. Объекты: конструкции алмазного бурового инструмента, гидродинамические процессы, сопутствующие бурению.

Методы: аналитический метод, метод компьютерного моделирования. Результаты. Определены различия циркуляции жидкости в отдельных видах алмазного бурового инструмента. Выделены зоны алмазного породоразрушающего инструмента, отличающиеся характером течения жидкости. Установлены направления снижения гидравлических сопротивлений в призабойной зоне скважины и улучшения циркуляции жидкости в режущей части инструмента секторного типа за счет изменения его конструктивных особенностей.

Актуальность исследования заключается в острой необходимости рассмотрения и определения возможных путей использования методов машинного обучения в буровой отрасли, поскольку искусственный интеллект развивается стремительными шагами. Достижение этой задачи предоставит промышленным предприятиям огромное конкурентное преимущество и внесёт важный вклад в научное сообщество для его будущих исследований. Это подчёркивается такими нормативными актами, как Указ Президента Российской Федерации от 10.10.2019 г. № 490 «О развитии искусственного интеллекта в Российской Федерации» и «Национальной стратегией развития искусственного интеллекта на период до 2030 года».

Цель: исследование эффективности применения метода машинного обучения Random Forest Classifier для разработки методик подбора роторно-управляемых систем, рассмотрения работоспособности машинного обучения для определения целевых параметров при решении поставленной перед ним задачи в рамках буровой отрасли и определению примерного количества времени, которое может быть затрачено алгоритмом для проработки возможного решения. Объект: метод машинного обучения Random Forest Classifier в условиях решения задачи из буровой отрасли по подбору оптимальной роторно-управляемой системы под конкретно заданные условия. Методы. Выполнены два вычислительных эксперимента с применением двух вычислительно электронных машин, а именно ноутбука и удалённого сервера, предпосылкой для которых стали данные, собранные и проанализированные на основе изучения научной литературы по направлению исследования. В данной статье исследуется возможность применения метода машинного обучения Random Forest Classifier для оптимизации процесса строительства скважин на примере разработки методики подбора роторно-управляемых систем. Вычислительные эксперименты выполнены на двух вычислительных машинах с применением языка программирования Python версии 3.8.10, а также следующих библиотек: NumPy, Pandas, Scikit-learn. Результаты. Проведённые вычислительные эксперименты доказали способность рассматриваемого метода машинного обучения решать задачи по выбору подходящего бурового оборудования, примером которого выступали роторно-управляемые системы. Данный метод способен самостоятельно определять необходимые для выполнения поставленной задачи зависимости и затрачивать на этот процесс незначительное количество времени. Совокупность этих выводов позволяет сделать предположение о целесообразности и необходимости разработки новых способов использования методов машинного обучения в буровой отрасли, а также выполнению множественных научных исследований вопросов о возможностях применения машинного обучения в процессе строительства скважин и анализа их эффективности, поскольку данное направление является передовым и может кардинально изменить существующие представления о протекающих во время бурения скважин процессах.