Разработка хемометрических методик экспресс-анализа показателей качества и состава нефтяных систем с применением метода ближней инфракрасной спектроскопии тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 02.00.13, кандидат технических наук Филатов, Владимир Михайлович

• Филатов, Владимир Михайлович
• кандидат технических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат технических наук Филатов, Владимир Михайлович

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР.

1.1. Хемометрический анализ данных.

1.1.1. Хемометрика и спектр её возможностей.

1.1.2. Хемометрический подход для анализа одномерных и многомерных данных.

1.1.3. Основные математические методы обработки многомерных данных.

1.1.4. Оценка точности методов.

1.1.5. Современные представления о структуре, компонентном и фазовом составе нефтяных дисперсных систем.

1.2. Хемометрический анализ углеводородных систем с применением современных одномерных и многомерных методов анализа, преимущества и недостатки.

1.2.1. Рефрактометрический метод.

1.2.2. Фотометрический метод.

1.2.3. Хроматографический метод.

1.2.4. Рамановская спектроскопия комбинационного рассеяния.

1.2.5. Метод ядерного магнитного резонанса.

1.2.6. Метод РЖ спектроскопии.

А. ИК-спектроскопии в средней области.

Б. ИК-спектроскопии в ближней области.

Б.1. БИК-спектроскопия для анализа продукции нефтепереработки.

Б.2. БИК спектроскопия для анализа нефтей и тяжелых нефтепродуктов.

Б.З. БИК-спектроскопия для анализа продукции нефтехимии.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка хемометрических методик экспресс-анализа показателей качества и состава нефтяных систем с применением метода ближней инфракрасной спектроскопии»

В настоящее время существует необходимость в разработке хемометрических методик экспресс-контроля показателей качества и состава нефтей на стадии добычи, транспорта и переработки, а также нефтяных фракций в процессе переработки нефти с целью получения нефтепродуктов требуемого качества. Растущая потребность в разработке таких методик сегодня, взаимосвязана с ухудшением качества добываемых флюидов большинства нефтяных месторождений, находящихся на поздней стадии эксплуатации и ужесточением требований к качеству нефтепродуктов. Данные требования отражены в техническом регламенте [1].

Сегодня перспективными являются оптические методы исследования углеводородных систем. По сравнению с другими методами оценки состава и свойств пластовых флюидов они удобны для исполнения, являются объективными и дают легко воспроизводимые количественные и качественные сведения о свойствах нефтяных флюидов.

Данные методы, позволяющие исследовать вещества без разрушения их структуры, широко применяют в нефтегазовой промышленности. Высокая чувствительность, сравнительная простота оптических методов измерений дают возможность использовать их как для лабораторных анализов, так и для контроля технологических процессов.

В связи с усложнением и утяжелением состава добываемых флюидов, ростом обводненности скважин, применение углубленных коллоидно-химических представлений об исследуемом объекте и точных методов математического анализа является значимым фактором при разработке и совершенствовании современных методик экспресс-контроля качества.

Целью данной работы является разработка методик экспресс-анализа некоторых показателей качества и состава светлых газоконденсатных фракций, нефтей, водонефтяных эмульсий и нефтегазоконденсатных флюидов с применением ИК спектроскопии в ближней области.

Для разработки методик экспресс-анализа с применением БИК спектроскопии в работе исследовано влияние компонентного состава углеводородной системы и концентрации дисперсных частиц на спектр в ближней инфракрасной области. Выявлено 5 активных областей БИК спектра путём дифференцирования спектров различных углеводородных систем. Раскрыта сущность методологии выбора ценной спектральной информации для хемометрического анализа с применением БИК спектроскопии. Показано, что выбор других рабочих областей спектра негативно сказывается на эффективности и работоспособности конечных градуировочных моделей.

Впервые проведены хемометрические исследования бензинового и дизельного топлива газоконденсатного происхождения, продемонстрирована высокая точность разработанной методики экспресс-контроля показателей качества данного объекта с применением метода БИК спектроскопии.

Разработана методика экспресс-анализа с применением > метода БИК спектрокопии для контроля некоторых показателей качества Российских дегазированных нефтей.

Исследовано влияние состава нефтей на спектральные данные в видимой и ближней областях спектра.

Проведены исследования рефрактометрическим и фотометрическим методом нефтегазоконденсатных флюидов Уренгойского и Ен-Яхинского месторождений. Подобрана оптимальная длина волны в видимой области для анализа нефтегазоконденсатных флюидов фотометрическим методом, повышена точность существующей методики. Разработана новая методика для мониторинга состава и свойств нефтегазоконденсатных флюидов с использованием быстрого и точного многомерного метода БИК-спектроскопии.

Продемонстрирована высокая эффективность применения метода БИК спектроскопии для экспрессного определения содержания воды в эмульсиях Уренгойской нефти.

Заключение диссертации по теме «Нефтехимия», Филатов, Владимир Михайлович

ВЫВОДЫ

1. Обоснован выбор метода БИК-спектроскопии по сравнению с другими физико-химическими методами для разработки хемометрических методик экспресс-анализа углеводородных систем, рекомендуемых для применения при их поточном анализе в технологиях up-stream и down-stream.

2. Показано влияние концентрации асфальтенов и состава дисперсионной среды на вид БИК-спектров модельных НДС и нефтей, точку начала агрегации асфальтенов. При равном содержании асфальтенов в нефтях точка начала агрегации асфальтенов определяется компонентным составом диперсионной среды.

3. Раскрыта сущность методологии выбора содержательной спектральной информации для хемометрического анализа нефтяных систем (газоконденсатных фракций, нефтей, водонефтяных эмульсий и нефтегазоконденсатных флюидов) с применением БИК-спектроскопии с учетом влияния светорассеяния дисперсных частиц в высокочасточной области БИК-спектра.

4. Разработаны методики количественного экспресс-анализа нефтегазоконденсатных флюидов Уренгойского и Ен-Яхинского месторождений и водонефтяных эмульсий, предназначенные для поточного анализа в технологиях up-stream.

5. Усовершенствована фотометрическая методика количественного анализа нефтегазоконденсатных смесей (исключена пробоподготовка и повышена точность определения).

6. Продемонстрирована более высокая точность разработанной многомерной экспресс-методики по сравнению с существующими фотометрической и рефрактометрической методиками определения содержания нефти в газоконденсате.

7. Разработаны методики экспресс-анализа измерений некоторых показателей качества бензинового и дизельного топлива газоконденсатного происхождения, а также дегазированных Российских нефтей, предназначенные для применения в технологиях down-stream.

8. Заложены основы хемометрической базы спектральных и референтных данных для Российских дегазированных нефтей и лабораторного экспресс-анализа некоторых показателей качества новых образцов нефтей (плотность, кинематическая вязкость при 20 °С, содержание смол, парафинов и асфальтенов, фракционный состав).

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Филатов, Владимир Михайлович, 2010 год

1. Технический регламент «О требованиях к автомобильному и авиационному бензину, дизельному и судовому топливу, топливу для реактивных двигателей и топочному мазуту», постановление Правительства РФ от 27 февраля 2008 г. № 118 г. 10 с.

2. Родионова О.Е. Хемометрический подход к исследованию больших массивов химических данных// Рос. хим. журнал. 2006., №2, с. 128-141.

3. Родионова О.Е., Померанцев А.Л. Кинетика и катализ, Об одном методе решения обратной кинетической задачи по спектральным данным при неизвестных спектрах компонент, 2004, т. 45, с. 485.

4. Koh H.L., Yau W.P., Ong P.S., Hegde AM Drug Discov. Today. 2003, v. 8, p. 889.

5. Pomerancev A.L., Rodionova O.E.// Ye. Chemom. Intell. Lab. Syst., 2005, v. 79, P.73.

6. Грибов Л.А. Математические методы и ЭВМ в аналитической химии. М., 1989.

7. Siebert К J.// Am. Soc. Brew. Chem. 2001, v. 59, p. 147.

8. Varmuza K., Werther W., Krueger F. R., Kissel J., Schmid E.R.// Mass Spectrometry. 1999. v. 189, p. 79.

9. Martens H., Noes T.// Trends Anal. Chem. 1984, v.3, p. 204.

10. Wold S., Esbensen K., Geladi P.// Chemom. Intell. Lab. Syst. 1987, v. 2, p. 37.

11. Эсбенсен К. Анализ многомерных данных. Сокр. пер. с англ. под ред. О. Родионовой. - Из-во ИПХФ РАН, 2005

12. Marcelo Adriano Aliske, Giuliano Fernandes Zagonel, Bill Jorge Costa, Wanderley Veiga, Cyro Ketzer Saul Measurement of biodiesel concentration in a diesel oil mixture//Fuel, 2007, v. 86, p. 1461-1464

13. Wold S.// Chemometrics and Intelligent Laboratory Systems. 1992, № 14, p. 71-84.

14. Yang H.3 Griffiths P.R., Tate J.D.// Analytica Chimica Acta. 2003, v. 489, p. 125-136.16. http://www.chemometrics.ru/articles/chemometricsreview.pdf

15. Mullins O.C., Sheu E.Y., Hammami A., Marshall A.G. Asphaltenes, heavy oils and Petroleomics. New York Springer Scince+Bisiness Media. 2007.669 p.

16. P.3. Сафиева Физикохимия нефти, M.: Химия, 1998. 448 с.

17. И.Н. Евдокимов, А.П. Лосев Возможности оптических методов исследований в системах контроля разработки нефтяных месторождений, М.: Нефть и ГАЗ, 2007. С. 19, 41, 71

18. Свидетельство №42-06 об аттестации МВИ, 14.09.2006г, ООО «ВНИИГАЗ».

19. Лосев А.П. Влияние образования молекулярных наноагрегатов на надёжность хемометрии газоконденсатов и продуктов переработки // М.: РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2007. 15 с.

20. Евдокимов И.Н., Лосев А.П. Применимость рефрактометрических методов для анализа ассоциативных углеводородных сред // М., 2007. 18 с.

21. Fogler H.S., Gharfeh S.G. Thermodynamic Solubility Models to Predict Asphaltene Instability in Live Crude Oils // Energy & Fuels. 2007, № 21, P 1248-1255

22. Методика выполнения измерения массовой концентрации нефти в продукции газоконденсатных скважин УГКМ.-Новый Уренгой, 2000.-11 с.

23. Отчет о результатах исследовательской работы по определению массовой концентрации нефти в продукции газоконденсатных скважин УГКМ фотометрическим методом. ООО «Уренгойгазпром» филиал, НТЦ отдел физико-химических исследований, 2001. 58 с.

24. В.Д. Рябов Химия нефти и газа. М.: ИД «ФОРУМ», 2009. С. 1746, 70-80

25. Hannisdal A., Hemmingsen P., Sjoblom J. Group-Type Analysis of Heavy Crude Oils Using Vibrational Spectroscopy in Combination with Multivariate Analysis // Ind. Eng. Chem. Res., 2005. №44. -p.1349 1357

26. Narve Aske, Harald Kallevik, and Johan Sjoblom Determination of saturate, aromatic, resin, and asphaltenic (SARA) components in crude oils by means of infrared and near-infrared spectroscopy // Energy & Fuels —2001. —№ 15. —P. 1304-1312

27. Sriram Satya, Milind D. Deo, Francis V. Hanson Application of chemometric methods to predict crude oil properties // The 6th International Conference on Petroleum Phase Behavior and Fouling Amsterdam The Netherlands — 2005. — P. 8

28. Гордадзе Г.Н., Чахмахчев В.А. Закономерности и прикладное значение изменения углеводородного состава конденсатов при разработке месторождений // Геология нефти и газа, 1994. №4. -с. 19-22.

29. Perez J.M. Quantitative NMR Spectroscopy for the prediction of base oil properties // Tribology transactions, 2000. V. 43- № 2- P. 24525034. http://www.nytek.ru/Article402.html

30. Гюнтер X. Введение в курс спектроскопии ЯМР. М.: Мир, 1984. - 478 с.

31. Peinder P., Visser Т. Partial least squares modeling of combined infrared, 'H NMR and 13C NMR spectra to predict long residue properties of crude oils // Vibrational spectroscopy, 2009. P. 8

32. Иванова Л.В., Сафиева P.3., Кошелев B.H. ИК-спектрометрия в анализе нефти и нефтепродуктов// Вестник Башкирского университета. 2008, т. 13, №4. с. 869-874.41. http://bse.sci-lib.com/article056216.html

33. Смит A.JI. Прикладная ИК спектроскопия. Основы, техника, аналитическое применение. М.: Мир, 1982. 328 с.

34. Казанина Л.А., Куплетская Н.Б. Применение инфракрасной, ультрафиолетовой и ЯМР-спектроскопии в органической химии. М.: Высшая школа, 1971.44. http://bse.sci-lib.com/article056213.html

35. Blanco M., Maspoch S., Villarroya I., Peralta X., Gonzalez J.M., Torres J., Analytica Chimica Acta. 2001, v. 434, p. 133.

36. McClure W.F.// Anal. Chem. 1994 v. 66, P. 43.

37. Пентин Ю. А., Вилков JI. В. Физические методы исследования в химии. М.: Мир, 2003. 683 с.

38. Chung Н., Ku М. Comparison of near-infrared and mid-infrared spectroscopy for the determination of distillation property of kerosene// Vibrational Spectroscopy 20 1999 155-163

39. Chung H., Ku M. Comparison of near-infrared, mid-infrared, and raman spectroscopy for the analysis of heavy petroleum products// Applied Spectroscopy V 54, № 2, 2000, P 239-245

40. Brian K., William T. Determination of asphaltenes in petroleum crude oils by FT infrared Spectroscopy // Energy & Fuels. 1998. - №12. -p. 1008-1012.51. www.a2technologies.com/downloads/Lube/waterincrude.pdf

41. Сарангэрэл П., Сафиева P.3., Сюняев Р.З., Демыгин С.С., Чулюков О.Г. Экспресс-анализ показателей качества бензиновых фракций// Журнал нефтепереработка и нефтехимия. М.: 2004, № 3, с. 25-30.

42. Chung Н. Applications of Near-Infrared Spectroscopy in Refineries and Important Issues to Address. Department of Chemistry, College of Natural Sciences, Hanyang University, Seoul, Korea, 2007.

43. Balabin R.M., Safieva R.Z. Gasoline classification by source and type based on near infrared (NIR) spectroscopy data//Fuel. 2008, v 87, p. 1096-1101

44. Balabin R.M., Safieva R.Z. Motor oil classification by base stock and viscosity based on near infrared (NIR) spectroscopy data//Fuel. 2008, v 87, p. 2745-2752

45. Fernandes H.L., Raimundo I.M., etc. Simultaneous determination of methanol and ethanol in gasoline using NIR spectroscopy: Effect of gasoline composition//Talanta 2008, v 75, p. 804-810

46. Patr.icia Baptista, Pedro Felizardo, Jos.e C. Menezes, M. Joana Neiva Correia Multivariate near infrared spectroscopy models for predicting the methyl esters content in biodiesel//analytica chimica acta., 2008, 607, p. 153-159

47. Pedro Felizardo, Patr.icia Baptista, Jos.e C. Menezes, M. Joana Neiva Correia Multivariate near infrared spectroscopy models for predicting methanol and water content in biodiesel//Analytica Chimica Acta, 2007 595, p. 107-113

48. Ingrid Komorizono de Oliveira, Werickson F. de Carvalho Rocha, Ronei J. Poppi Application of near infrared spectroscopy and multivariate control charts for monitoring biodiesel blends//Analytica Chimica Acta, 2009, 642, p. 217-221

49. Marcelo Adriano Aliske, Giuliano Fernandes Zagonel, Bill Jorge Costa, Wanderley Veiga, Cyro Ketzer Saul Measurement of biodiesel concentration in a diesel oil mixture//Fuel, 2007, v. 86, p. 1461-1464

50. Chung, H., Ku, M.S., Lee, J.S. Comparison of near-infrared and mid-infrared spectroscopy for the determination of distillation property of kerosene// Vib. Spectrosc. 1999, № 20, p. 155-163.

51. Carlos-A. Baldrich Ferrer, Luz-Angela Novoa Mantilla. Infrared spectrophotometry, a rapid and effective tool for characterization of direct distillation naphthas// CT&F, Colombia. 2005. № 3.

52. Celio Pasquini, Aerenton Ferreira Bueno Characterization of petroleum using near-infrared spectroscopy: Quantitative modeling for the true boiling point curve and specific gravity//Fuel, 2007, v. 86, p. 1927-1934

53. Chen S., Oye G., Sjoblom J Characterization and rheological properties of waxy oils // Annual transactions of the Nordic rheology society — 2006. — V. 14. — P. 6.

54. Falla F.S., Larini C., Le Roux G.A.C., Quina F.H., Moro L.F.L., Nascimento C.A.O. Characterization of crude petroleum by NIR // Journal of Petroleum Science and Engineering — 2006. — N. 51. — P. 127-137.

55. Катаев P.C. Научные основы структурно-динамического экспресс-анализа методом ЯМР нефтяных и угольных дисперсных систем: Дис. .д.т.н: 05.17.07 / РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина.-М., 2001.-303 с.

56. Катаев Р.С. Казанские радиоспектроскописты развитию нефтяной промышленности и энергетики, Казань, 2007. С. 55-56

57. Augusto М. Araujo, Leila М. Santos, Montserrat Fortuny, Rosana L. F. V. Melo, Raquel С. C. Coutinho, and Alexandre F. Santos115

58. Evaluation of Water Content and Average Droplet Size in Water-in-Crude Oil Emulsions by Means of Near-Infrared Spectroscopy // Energy & Fuels — 2008. — N. 22. — P. 3450-3458

59. Narve Aske, Harald Kallevik, and Johan Sjoblom Determination of saturate, aromatic, resin, and asphaltenic (SARA) components in crude oils by means of infrared and near-infrared spectroscopy // Energy & Fuels —2001.—N. 15. —P. 1304-1312

60. Sriram Satya, Milind D. Deo, Francis V. Hanson Application of chemometric methods to predict crude oil properties // The 6th International Conference on Petroleum Phase Behavior and Fouling Amsterdam The Netherlands — 2005. — P. 8

61. Narve Aske, Harald Kallevik, Einar Eng Johnsen, and Johan Sjoblom Asphaltene Aggregation from Crude Oils and Model Systems Studied by High-Pressure NIR Spectroscopy // Energy & Fuels — 2002, — № 16. —P. 1287-1295

62. Go Fujisawa and Oliver C. Mullins Live oil sample acquisition and downhole fluid analysis P 589-60479. http://www.safeco.ir/en/documents/4.pdf

63. Blanco M., Maspoch S., Villarroya I., Peralta X., Gonzalez J.M., Torres J. Determination of physico-chemical parameters for bitumens using near infrared spectroscopy // Analytica Chimica Acta. — 2001. V. 434. —P. 133-141.

64. Eastman A. D., Randolph B. B., Moore W. P., Heald R. L. Consider online monitoring of HF acid when optimizing alkylation operations// Hydrocarbon processing. 2001, p. 95-100.

65. Peinder P. Characterization and classification of crude oils using a combination of spectroscopy and chemometrics, 2009, 176 c.84. http://www.scielo.org.co/img/revistas/ctyf/v3n2/v3n2al3figl.gif

66. Демиденко К.А. Нефти и газовые конденсаты России. М.: ООО «ТУМА ГРУПП», 2000. 192 с.

67. Демиденко К.А. Нефти Сибири. М.: ООО «ТУМА ГРУПП», 2002. 160 с.

68. Е 2056-00 Standard practice for quantifying spectrometers and spectrophotometers for use in multivariate analyses, calibrated using surrogate mixtures

69. E 2056-00 Standard practice for near infrared qualitative analysis

70. E 168-99 Standard practice for general techniques of infrared quantitative analysis

71. Merker I. Process optical analysis, Bruker Optics, 2009. p. 12

72. Кнунянц И.JI. Химическая энциклопедия. М.: «Советская энциклопедия», 1988.— 671 с.

73. Кочетков О.С., Алисиевич Л.Н. О путях формирования месторождений нефти и газа (на примере Тимано-Печорской провиниии), 2000.

74. Дурмишьян А.Г. Вопросы геологии, разведки и разработки газоконденсатного месторождения Карадаг Баку, Азернефтнешр, 1960. - 157 с.

75. Дурмишьян А.Г. Газоконденсатные месторождения Азербайджана. Баку, Азернешр, 1967. 260 с.