Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов

Актуальность. В промышленных регионах потенциально токсичные элементы служат важнейшими индикаторами загрязнения окружающей среды, создавая потенциальный риск для экологии и здоровья экосистемы, а также человека. Почва является главным геохимическим поглотителем различных загрязняющих веществ и представляет собой среду для переноса многих загрязняющих веществ в атмосферу, гидросферу и биомассу. Поэтому необходимо провести комплексное исследование геоэкологических рисков от потенциально токсичных элементов в почвах.

Цель. Оценка потенциального геоэкологического риска загрязнения почвенного покрова на территории промышленной площадки Удачнинского горно-обогатительного комбината с использованием различных индексов оценки загрязнения.

Объекты. Доминирующие типы почв северо-таежных ландшафтов Далдынского кимберлитового поля.

Методы. Атомно-абсорбционный, статистические методы.

Результаты и выводы. Проведена оценка потенциальных источников загрязнения почв и геоэкологических рисков с использованием таких показателей загрязнения, как индекс геоаккумуляции, индекс Немерова, индекс загрязнения, индекс нагрузки загрязнения, потенциальный экологический риск. Результаты анализа данных индексов и рисков показали, что почвы территории исследования преимущественно загрязнены Ni, Co, Cr и Mn. Высокий потенциальный экологический риск имели 19,51 % объектов в зоне исследования по Mn и Ni, а низкий потенциальный экологический риск – всего 4,87 %. Анализ пространственного распределения различных индексов загрязнения показал схожие картинки, где выявлены локальные точки с высокими значениями индексов загрязнения. Горячие точки отмечены на участках воздействия отвала трубки «Удачный» и «Зарница» хвостохранилища № 2.

Актуальность обусловлена необходимостью повышения точности и надежности прогноза продуктивности газовых и газоконденсатных скважин при перспективном планировании работы газодобывающих предприятий. Для повышения точности и надежности расчетов прогнозных дебитов необходимо учитывать изменения фильтрационно-емкостных свойств пласта в призабойных зонах, вызванных меняющимися со временем значениями пластового давления и депрессии.

Цель. Определение уравнений реальных индикаторных кривых притока флюида к газовой скважине, учитывающих зависимость фильтрационно-емкостных свойств пласта в призабойных зонах от меняющихся значений пластового давления и депрессии. Для достижения поставленной цели авторы применяют рабочую гипотезу о том, что, во-первых, в скрытом виде все физические закономерности фильтрации газа к скважине содержатся в накопленной за время эксплуатации скважины отчетной геолого-промысловой документации. Во-вторых, уравнения всех реальных индикаторных кривых можно аппроксимировать предложенным авторами статьи обобщенным уравнением Роулинса–Шеллхардта. По результатам обработки реальных геолого-промысловых данных ряда скважин был обнаружен новый эффект, показывающий, что реальные индикаторные кривые, в отличие от классических теоретических ситуаций, могут описываться немонотонными зависимостями дебита от депрессии. Обнаруженный новый эффект имеет важное теоретическое и практическое значение для нефтегазовой отрасли.

Объекты. Уравнения притоков газа к скважинам, аппроксимируемые в виде обобщенного уравнения Роулинса–Шеллхардта.

Методы. Методы интерполяции и аппроксимации промысловых данных, численное интегрирование, методы математического моделирования, корреляционный и регрессионный анализы, метод наименьших квадратов.

Результаты. Для реальных индикаторных кривых, описывающих, в отличие от классических законов фильтрации, в том числе и немонотонные зависимости дебита от депрессии, построена аппроксимационная модель в виде предложенного обобщенного уравнения Роулинса–Шеллхардта. Эта модель открывает новый подход к прогнозированию дебитов газовых скважин, позволяет повысить эффективность газодобычи и содействует устойчивому развитию энергетического сектора. Например, значительно упрощает процесс планирования геолого-технических мероприятий и оптимизирует разработку газовых месторождений.

Актуальность работы обусловлена необходимостью исследования влияния поверхностной пластической деформации бурильных труб на их технологические свойства, что позволит значительно сократить нерациональные материальные и энергетические затраты на проходку скважин, а также оптимизировать технико-экономические показатели производства буровых работ.

Цель: повышение производительности геологической разведки посредством оптимизации эксплуатационных характеристик бурильных труб.

Объекты: буровая скважина, буровой снаряд, бурильная колонна, дробеударная обработка труб, поверхностная пластическая деформация.

Методы: разработаны и изготовлены специализированные испытательные стенды для проведения экспериментальных исследований; обработка данных экспериментальных исследований произведена графоаналитическим методом.

Результаты. Представлены результаты исследования влияния поверхностной пластической деформации, произведенной посредством дробеударной обработки поверхности материала бурильных труб, на их технологические свойства.  Проведенные исследования показали значительное влияние поверхностной пластической деформации бурильных труб на их технологические свойства и эксплуатационные характеристики. В частности, было установлено, что микротрещины и прочие микродефекты могут привести к снижению прочности и усталостной выносливости трубы, а также к ухудшению ее коррозионной стойкости.

Выводы. Оптимальной степенью покрытия поверхности бурильных труб ЛБТН-54 и СБТ-42, гарантирующей существенное улучшение их технологических свойств, является величина, близкая к 80 %. При оптимальной степени поверхностной пластической деформации материала бурильных труб ЛБТН-54 жесткость их поперечного сечения увеличивается в 1,8 раза; крутильная жесткость возрастает в 1,3 раза; демпфирующая способность повышается на 33 %, а амплитуда свободных колебаний уменьшается в среднем в 1,9 раза; затраты мощности на проворачивание их вокруг своей изогнутой оси увеличиваются на 15 %. При оптимальной степени поверхностной пластической деформации материала бурильных труб СБТ-42 жесткость их поперечного сечения возрастает в 1,43 раза; крутильная жесткость увеличивается в 1,4 раза; демпфирующая способность повышается на 25 %, а амплитуда свободных колебаний уменьшается в среднем в 1,75 раза; затраты мощности на проворачивание вокруг своей изогнутой оси уменьшаются на 7 %. Поверхностная пластическая деформация материала бурильных труб ЛБТН-54 способствует расширению областей их работы в скважине в режиме прямой прецессии, обеспечивающей улучшение технико-экономических показателей бурения в сложных геологических условиях.

Актуальность. Предложена концепция создания малотоннажных установок получения метанола. В них входят два основных узла: комплекс получения синтез-газа путем некаталитического парциального окисления природного газа кислородом и комплекс синтеза метанола с использованием прямоточного многореакторного каскада с выделением конденсированного метанола после каждого реактора. Установка может входить в химический кластер и перерабатывать метанол в полезные продукты.

Цель. Описание технологии и конструкции установки, определение ее основных показателей.

Методы. Проектирование установки, математическое и численное моделирование химико-технологических процессов.

Результаты и выводы. Изложен новый технологический процесс малотоннажного производства метанола. Основным аппаратом установки является оригинальный малогабаритный газогенератор синтез-газа, который обеспечивает: высокую безопасность, надежность и ремонтопригодность; отсутствие необходимости применения катализатора при некаталитическом парциальном окислении и возможность проведения процесса при высоких давлениях до 8,0 МПа, не требующих компримирования газа при последующем каталитическом синтезе метанола; транспортабельность и модульность установки. Приведены результаты численного моделирования некаталитического парциального окисления природного газа кислородом, определены рациональные режимы процесса в газогенераторе синтез-газа. Основные задаваемые параметры некаталитического парциального окисления: коэффициент избытка окислителя, который должен находиться в диапазоне 0,34–0,36, и давление подач компонентов в диапазоне 6,0–7,0 МПа. Проведено численное моделирования процесса синтеза метанола без коррекции и с предварительной коррекцией состава синтез-газа. Полученные данные позволили: рассчитать степень превращения углерода из оксидов углерода в метанол; при использовании трехреакторного каскада с оптимальным составом газовой смеси степень превращения достигает 95 %; оценить максимальную удельную производительность установки до 1250 кг/час метанола на 1000 м³/ч природного газа и максимальную мощность установки до 20000 т метанола в год.

Актуальность. В настоящее время в практике геологоразведочных работ при необходимости корректировки направления проведения скважин главным образом используются отклонители непрерывного действия. Однако их применение сопряжено с определенными сложностями. Затраты времени на спускоподъемные операции, связанные с необходимостью подготовки скважины к искривлению, спуска отклонителя, проработки интервала искривления и т. д., значительны и непроизводительны. Формируемая кривизна скважины со значениями интенсивности от 1,5 град/м даже после проработки интервала специальными снарядами приводит к риску образования значительных перегибов колонны и потенциальным аварийным ситуациям, в особенности при применении снаряда со съемным керноприемником, ввиду невозможности его использования в скважинах, имеющих интенсивность искривления более 0,1–0,3 град/м. Конструктивные особенности отклонителей и ориентирующих устройств предопределяют сложности с корректной постановкой и надежным закреплением устройств на забое, нередки случаи отклонения плоскости набора кривизны от проектной. Принимая во внимание вышесказанное, разработка специального технического средства, позволяющего с высокой точностью и умеренной интенсивностью кривизны производить оперативную корректировку направления проведения скважин без подъема буровой колонны с применением комплекса снаряда со съемным керноприемником является актуальной и требующей решения задачей.

Цель: оценка силового воздействия на породоразрушающий инструмент при формировании нового направления ствола скважины съемным отклоняющим комплексом; оценка влияния бокового вооружения алмазного инструмента на траекторию забуриваемого ствола скважины; обоснование оптимального расположения вооружения на периферии алмазного породоразрушающего инструмента.

Объект: механизм формирования нового направления проведения скважины при фрезеровании её стенки.

Методы: сбор, анализ и обобщение информации о работе отклонителей непрерывного действия, аналитические исследования силового взаимодействия в призабойной зоне при формировании нового направления проведения скважин фрезерованием её стенки.

Результаты. Приведена оценка временных затрат на непроизводительные технологические операции при корректировке направления проведения скважин с использованием отклонителей непрерывного действия и съемным отклоняющим комплексом; приведена зависимость формируемого отклоняющего усилия при использовании съемного отклоняющего комплекса от физико-механических и геометрических характеристик инструмента, свойств горных пород; приведена зависимость для определения оптимального угла наклона алмазосодержащих штабиков для компенсирования дезориентирующего усилия при фрезеровании стенки скважины алмазным породоразрушающим инструментом.

Актуальность. Феномен урбанизации, обусловленный потребностями социально-экономического развития в различных регионах мира, все больше способствует сокращению растительного покрова и усугублению экологических проблем. В результате мониторинг расширения городов стал незаменимым для повышения эффективности городского управления и облегчения планирования по экологическим вопросам.

Цель. Оценка пространственно-временных изменений растительного покрова в городе Тхай Нгуен, Вьетнам, за последние два десятилетия под воздействием процесса урбанизации.

Методы. Пространственно-временные изменения растительного покрова анализировались с использованием алгоритма композита максимального значения, интегрированного в платформу Google Earth Engine. Оценка точности примененного метода классификации дала высокие уровни точности – от 91 до 94 %.

Результаты. В период с 2001 по 2023 гг. площадь городских земель выросла на 4024 га при среднегодовых темпах роста 0,78 %, увеличившись с 386 га в 2001 г. до 4410 га в 2023 г. За уменьшением на 773 га растительного покрова в 2001–2010 гг. последовало значительное увеличение до 2696 га в 2010–2023 гг. Эти результаты подчеркивают потенциальные риски, связанные с увеличением городских земельных площадей на территории исследования, и подчеркивают острую необходимость принятия соответствующих мер для решения этой проблемы.

Актуальность. Всплывший участок газопровода на болоте, балластированный утяжелителями, квалифицируется как «поврежденный» и должен быть выведен из эксплуатации.

Цель: установление влияния на всплытие газопровода на болоте веса утяжелителей, зависящего от удельного веса болотной воды с учетом концентрации в ней растворенных минералов, доля которых замеряется молями, изменение величин физико-механических характеристик грунта за счет его обводнения и параметров эксплуатации газопровода.

Объекты: участки газопровода, балластированного утяжелителями, на болоте в обводненной местности.

Методы: моделирование напряженно-деформированного состояния газопровода, балластированного утяжелителями, на болоте одномерной стержневой системой, состоящей из стержней и узлов их сопряжения; интегрирование методом ортогональной прогонки Годунова нормальной системы нелинейных обыкновенных дифференциальных уравнений, описывающих напряженно-деформированное состояние стержней, и составление решения систем алгебраических уравнений равновесия в узлах сопряжения с учетом воздействия на напряженно-деформированное состояние утяжелителей.

Результаты. Приведены краткие сведения о всплытии газопроводов с установленными на них утяжелителями. Поставлена и решена задача о напряженно-деформированном состоянии участка газопровода, состоящего из средней подводной части, балластированной железобетонными утяжелителями, и крайних обводненных подземных частей. Анализом напряженно-деформированного состояния газопровода установлены следующие основные причины его всплытия: неравномерная неодинаковая осадка грунта основания на крайних частях, в которых труба остается в траншее, засыпанной грунтом; уменьшение веса утяжелителей в воде вследствие увеличения удельного веса воды за счет роста концентрации растворенных в воде минеральных солей и остатков разложения растительности. Найдены критические значения параметров эксплуатации, при достижении которых начинается выпучивание трубы со стрелой прогиба, направленной вверх, предшествующее всплытию газопровода.

Актуальность. Системы вентиляции и кондиционирования нефтегазовых станций содержат электромеханические устройства, работа которых сопровождается производственным шумом и вибрацией. Это оказывает негативное влияние на износ самого оборудования и на здоровье операторов, находящихся в помещении, так как наличие шума является вредным производственным фактором. В связи с этим снижение вибрационной и акустической активности электромеханических устройств является актуальной научно-технической задачей, которая привлекает внимание разработчиков на протяжении многих лет. Известно, что алюминий как конструкционный материал сочетает в себе высокую жесткость, прочность и способность диссипировать в своем объеме энергию, актуальным является его применение для создания твердотельных гасителей вибрационных колебаний. Настоящая работа посвящена исследованию демпфирующих свойств алюминиевого сплава и оценке возможности его применения в качестве гасителя колебаний в демпфирующих устройствах для электромеханических устройств систем жизнеобеспечения нефтегазовых станций. С этой целью проведены экспериментальные исследования образцов литого и вспененного алюминиевого сплава Д16 с использованием ударного стенда.

Объектом исследования являются образцы литого и вспененного алюминиевого сплава Д16.

Цель: экспериментальные исследования демпфирующих свойств литого и вспененного алюминиевого сплава Д16 для оценки возможности его применения в качестве демпфирующего элемента гасителя колебаний в конструкциях электромеханических устройств систем жизнеобеспечения нефтегазовых станций.

Методы. Современные подходы вибродиагностики, вычислительной математики и средств измерений.

Результаты исследования показали, что вспененные образцы по сравнению с литыми имеют больший потенциал диссипировать энергию возмущающих воздействий виброактивности электромеханического устройства и могут быть использованы в качестве демпфирующего элемента.

Актуальность. Современные тенденции в переработке тяжелой нефти с высоким содержанием серы и ужесточение экологических требований к топливу приводят к необходимости проведения очистки углеводородного сырья от вредных компонентов, таких как сера. Одним из процессов облагораживания средних и тяжелых фракций нефти является гидроочистка. Из-за высокой значимости процесса гидроочистки в современной нефтепереработке применение математических моделей имеет критически важное значение при проектировании новых установок, оптимизации работы действующих, а также при разработке катализаторов.

Цель. Настоящая работа посвящена прогнозированию работы промышленной установки гидроочистки вакуумного газойля при изменении состава сырья и основных управляющих параметров с применением математической модели.

Методы. Метод жидкостно-адсорбционной хроматографии на установке «Градиент М» для определения состава вакуумного газойля, метод газожидкостной хроматографии с применением хроматографа «Кристалл 2000 М» для определения содержания серосодержащих соединений в вакуумном газойле, метод криоскопии в бензоле для определения молекулярной массы, метод энергодисперсионной рентгенофлуорисцентной спектрометрии для определения общей серы в вакуумном газойле, пикнометрический метод для измерения плотности, квантово-химический метод исследования, реализованный в программе Gaussian, для определения термодинамических характеристик реакций, метод математического моделирования химико-технологических процессов.

Результаты. Предложена 12-компонентная математическая модель процесса гидроочистки вакуумного дистиллята, которая учитывает большинство реакций гидрогенолиза, гидрирования и гидрокрекинга гетероорганических соединений, массоперенос газ–жидкость и жидкость–твердое тело, а также влияние дезактивации катализатора коксом на его активность. По результатам расчетов, выполненных с использованием математической модели, можно сделать вывод о том, что модель процесса гидрооблагораживания вакуумного газойля достоверно воспроизводит зависимости остаточного содержания серы в продукте от изменений основных управляющих параметров работы промышленной установки гидроочистки вакуумного дистиллята.

Изучено разложение монацитового концентрата щелочью. Были исследованы условия разложения, такие как температура, время, размер частиц и массовое соотношение между щелочью и монацитовым концентратом по массе. Согласно литературным данным, процесс разложения лучше всего проводить при температуре >140 °C в течение 8 часов, требуемое соотношение щелочи и монацитового концентрата составляет 1,4/1, размер частиц руды должен быть меньше 48 мкм. Эффективность разложения составляет около 70 %. Если достигать степени разложения свыше 90 %, то соотношение щелочи/концентрата по массе должно быть не менее 4/1, что приводит к большому количеству остаточной щелочи, в последующем требующей дополнительных затрат на регенерирование. Для решения проблемы использования избыточного количества щелочи был изучен процесс разложения монацитового концентрата при повышенном давлении щелочью. Был использован монацитовый концентрат месторождения Хам Тан (Вьетнам, провинция Баньтхуан). Исследованы основные параметры, влияющие на полноту протекания процесса, такие как температура, время, соотношение NaOH/концентрат по массе и размер частиц концентрата. Результаты показали, что под воздействием давления разложение происходит быстрее и эффективность разложения увеличивается. Оптимальная температура для разложения концентрата составляет от 180 до 210 °C, что соответствует давлению от 4 до 7 атм. Время разложения также сократилось до 2 часов, а размер частиц концентрата также увеличился до 55 мкм при использовании 70 %-ного раствора щелочи и соотношения щелочь/концентрат 1/1. Эффективность вскрытия редкоземельных элементов достигла 95 %, в то время как при тех же условиях степень вскрытия для U составила 50 %, а для Th – 77 %. При увеличении времени реакции эффективность разложения редкоземельных элементов не сильно менялась, но для радиоактивных элементов имела тенденцию к росту. При размерах частиц >55 мкм эффективность процесса резко снижалась, и для увеличения эффективности разложения требовалось изменение условий реакции.