Bulletin of the Tomsk Polytechnic University Geo Assets Engineering
Журнал «Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов» – рецензируемый научный журнал, издающийся с 1903 года. Учредитель и издатель: Томский политехнический университет. Адрес редакции: 634050, Томская обл., г. Томск, пр. Ленина, 30, каб. 139 б Телефоны: (3822) 60-62-91 Электронная почта: izv@tpu.ru Периодичность: 12 раз в год Журнал зарегистрирован Министерством Российской Федерации по делам печати, телерадиовещания и средств массовых коммуникаций (свидетельство ПИ № ФС 77-65008 от 04.03.2016 г.) ISSN (print) – 2500-1019 ISSN (on-line) – 2413-1830 Территория распространения: Российская Федерация, зарубежные страны. Языки публикаций: русский, английский. Подписной индекс в объединённом каталоге «Пресса России» – 18054 «Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов» публикует оригинальные работы, обзорные статьи, очерки и обсуждения, охватывающие последние достижения в области геологии, разведки и добычи полезных ископаемых, технологии транспортировки и глубокой переработки природных ресурсов, энергоэффективного производства и преобразования энергии на основе полезных ископаемых, а также безопасной утилизации геоактивов. Журнал представляет интерес для геологов, химиков, технологов, физиков, экологов, энергетиков, специалистов по хранению и транспортировке энергоресурсов, ИТ-специалистов, а также других смежных областей. Тематические направления журнала «Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов»: • Прогнозирование и разведка георесурсов • Добыча и транспортировка георесурсов • Глубокая переработка георесурсов • Энергоэффективное производство и преобразование энергии на основе георесурсов • Безопасная утилизация георесурсов и вопросы геоэкологии • Инженерная геология Евразии и окраинных морей • Экономические и социальные аспекты использования георесурсов. К публикации принимаются оригинальные научные статьи на русском и английском языках, ранее не публиковавшиеся в других изданиях. Журнал индексируется и архивируется в: – Scopus; – GeoRef; – Web of Science Core Collection's Emerging Sources Citation Index; – DOAJ; – РИНЦ (eLlibrary.ru); – Перечень рецензируемых научных изданий, в которых должны быть опубликованы основные результаты диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук, на соискание ученой степени доктора наук. Статьи, отбираемые для публикации в журнале, проходят двойное слепое рецензирование. Автор статьи имеет право предложить двух рецензентов по научному направлению своего исследования. Окончательное решение по публикации статьи принимает главный редактор журнала. Редакция «Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов» не взимает плату с авторов за подготовку, размещение и печать материалов. Ускоренные сроки публикации статей не предусмотрены. Не рассматриваются рукописи, одновременно представленные в другие издания. При обнаружении данного факта редакцией журнала будет проведено ретрагирование (отзыв) таких публикаций.
National Research Tomsk Polytechnic University
Исследование эффективности струйного насоса с системой автоматического регулирования подачи при откачке газа из затрубного пространства добывающих скважин
Актуальность. Снижение давления накапливающегося газа в затрубном пространстве в процессе откачки нефтегазоводяной смеси является актуальной задачей по причине снижения притока со стороны пласта. Актуальность исследования вызвана необходимостью решения проблемы удаления затрубного газа на приеме погружного электроприводного лопастного насоса. Скапливающийся газ в области между обсадной колонной и насосно-компрессорными трубами ведет к образованию снижения динамического уровня в скважине и гидратных пробок, что может явиться причиной срыва подачи и возможно полной остановки процесса добычи нефти. Одним из предлагаемых решений по автоматическому снижению давления в затрубном пространстве является применение струйного насоса. Известные конструкции струйных насосов обладают ограниченной областью применения, в связи с чем возникает необходимость в модернизации таких устройств. Цель: разработка эффективного струйного насоса для удаления затрубного газа, обеспечивающего перепуск затрубного газа в полость насосно-компрессорных труб. Объект: установки погружные электроприводные лопастного насоса для добычи нефти. Результаты. Предложены конструкции струйных насосов, предназначенных для автоматического перепуска затрубного газа в полость насосно-компрессорных труб за счет регулирования положения суженной части путем перемещения подвижной половины насоса с помощью поршня, оборудованного пружиной сжатия, причем подпоршневая полость сообщается с затрубным пространством. На основе математической модели работы струйного насоса, описывающей перемещение поршня с учетом давления затрубного газа, показано, что применение альтернативных конструкций такого устройства позволяет избежать значительных потерь давления в насосных трубах при эксплуатации электроцентробежных установок.
Copyright (c) 2025 Bulletin of the Tomsk Polytechnic University Geo Assets Engineering
Методика расчета параметров накопителя электрической энергии для электротехнического комплекса нефтегазодобывающего предприятия
Актуальность. Активное развитие технологий по созданию накопителей электрической энергии большой емкости способствует их использованию в электротехнических комплексах нефтегазодобывающих предприятий. Внедрение накопителей электрической энергии в такие комплексы позволяет повысить надежность электроснабжения потребителей, улучшить показатели качества электроэнергии, а также эффективно использовать маломощные источники питания на основе возобновляемых источников энергии. Цель. Разработка методики расчета параметров накопителей электрической энергии с возобновляемыми источниками энергии электротехнического комплекса нефтегазодобывающего предприятия. Методы. Математическое моделирование. Результаты и выводы. Предложена методика, состоящая из двух независимых алгоритмов расчета параметров накопителей электрической энергии и возобновляемых источников энергии. Алгоритмы отличаются последовательностью расчетов: в качестве исходных данных используется время резервирования нагрузки и ее величина или соотношение времени резервирования нагрузки со временем заряда накопителей электрической энергии и величина нагрузки. В алгоритмы включена операция оптимизации комплекта гальванических элементов для накопителей электрической энергии. Также алгоритмы содержат операцию выбора типа гальванических элементов для накопителей электрической энергии, реализованную в виде расчета показателя эффективности. Методика апробирована на примере выбора параметров накопителей электрической энергии и возобновляемых источников энергии для установки электроцентробежного насоса нефтегазодобывающего предприятия. Для мощности нагрузки 123 кВА и времени ее резервирования 15 минут емкость комплекта гальванических элементов накопителей электрической энергии с номинальным напряжением 12 В должна составлять не менее 3571 А∙ч. Согласно результатам операции выбора типа гальванических элементов для 900 циклов заряда–разряда накопителя электрической энергии, находящегося в отапливаемом помещении, рационально использовать свинцово-кислотные аккумуляторные батареи. По результатам оптимизации накопителей электрической энергии относительно величины емкости и количества отдельных гальванических элементов, их массы и стоимости для установки электроцентробежного насоса рационально использовать следующие комплекты свинцово-кислотных аккумуляторных батарей: 24 гальванических элемента емкостью 150 А∙ч производителя Delta Battery, 55 гальванических элементов емкостью 65 А∙ч производителя WBR. Для времени полного заряда накопителя электрической энергии 12 часов мощность возобновляемого источника энергии незначительно варьируется в зависимости от емкости комплекта аккумуляторной батареи и составляет 2607–2654 Вт.
Гибридный алгоритм определения нефтенасыщенности керна по макрофотографиям пород в дневном и ультрафиолетовом свете
Актуальность. Анализ керна – это основа для изучения нефтегазовых пластов. Но обычные способы исследования керна, особенно оценка нефтенасыщенности по УФ-свечению, очень трудозатратны, зависят от человека и не имеют четких правил. Данных с месторождений становится все больше, что усугубляет ситуацию. Поэтому нужны автоматические, объективные и масштабируемые методы. Цель. Разработка гибридного алгоритма определения нефтенасыщенности керна по макрофотографиям пород в дневном и ультрафиолетовом свете и его программная реализация. Методы. Обработки изображений, компьютерного зрения и глубокого обучения. Для классификации УФ-свечения была предложена мультимодальная модель на основе ResNet-34. Она обрабатывает сразу шесть каналов: RGB обычного света + RGB УФ-света. Программная реализация выполнена в виде интеллектуальной информационной системы на основе микросервисной архитектуры. Результаты. Разработан алгоритм классификации УФ-свечения, который показал точность 90 % для типа свечения и 80 % для его интенсивности. Разработана интеллектуальная информационная система, которая реализует полученный гибридный алгоритм, обрабатывает большие фото (4000×4000 пикселей) и сокращает место для хранения на 20–40 %, потому что хранит только нужные сегментированные части изображений. Выводы. Использованный подход, объединяющий анализ разных типов изображений и гибкую систему на микросервисах, является перспективным. Он не только автоматизирует и делает объективной оценку нефтенасыщенности, но и создает основу для будущих разработок в цифровой петрофизике. Решение помогает точнее определять насыщенность, быстрее анализировать данные и экономить место для хранения, что имеет высокую практическую значимость для нефтегазовой отрасли.
Проблематика совершенствования экологического мониторинга на нефтегазовых объектах с применением технологий искусственного интеллекта
Актуальность исследования обусловлена вызовами принятой климатической доктрины, ориентирующей российские нефтегазовые компании на реализацию стратегии устойчивого развития, в рамках которой экологический мониторинг окружающей среды занимает ключевое место и является основой инвестиционной привлекательности и конкурентоспособности компаний на мировом рынке углеводородного сырья. Трансформация экологического мониторинга в направлении внедрения технологий искусственного интеллекта сопровождается комплексом проблем технико-технологического характера. Цель: анализ проблематики внедрения технологий искусственного интеллекта в систему мониторинга состояния атмосферного воздуха на действующих нефтегазовых объектах. Информационная база: материалы научных работ российских и зарубежных авторов, годовая и внутренняя отчетность нефтегазовых компаний, нормативно-правовая база. Методы: эмпирический, аналитический, экономико-статистический. Результаты. Авторами выявлено, что совершенствование экологического мониторинга на основе технологий искусственного интеллекта в рамках стратегической задачи технологического суверенитета и цифровизации нефтегазовой отрасли сдерживается триадой факторов в части качества информационной базы, измерительных устройств, пригодных для специфических географо-климатических условий, и имеющегося обеспечения технологий искусственного интеллекта. Обозначено, что для нивелирования двойственного влияния технологий искусственного интеллекта необходим комплекс мероприятий в части государственного регулирования для повышения инициативности нефтегазовых компаний по совершенствованию экологического мониторинга. Также обосновано, что разработка собственных программных продуктов, несмотря на длительность внедрения в связи с поиском технических, технологических и IT-решений, является перспективным бизнес-проектом, возможным для тиражирования на других нефтегазовых объектах со схожими географо-климатическими условиями.
Палеофациальные условия образования месторождений бентонитовых глин на территории Российской Федерации
Актуальность работы связана с необходимостью развития минерально-сырьевой базы месторождений высококачественного бентонита на территории России, а также с изучением основных бентонитоносных провинций, этапов их образования и соответствующих благоприятных обстановок. Целью работы является систематизация имеющихся в собственной коллекции и опубликованных ранее данных по месторождениям бентонитовой глины различного возраста на территории России, выделение благоприятных геологических и палеофациальных обстановок образования месторождений бентонитовых глин, а также наиболее перспективных районов на поиски новых и доизучение имеющихся месторождений. Методы: палеофациальный анализ, рентгенофазовый и рентгенофлуоресцентный анализ. Результаты. В фанерозое на территории современной России проходило несколько наиболее активных геологических этапов бентонитообразования, включающих нижне-каменноугольный, среднеюрский, меловой, палеогеновый и неогеновый периоды. По условиям образования месторождения бентонитовых глин относятся к вулканогенно-осадочному, гидротермальному и осадочному типам. Образование месторождений вулканогенно-осадочного генезиса связано с проявлением вулканической деятельности в пределах активных континентальных окраин и прилегающих к ним краевых частей платформ в эпоху активного вулканизма в каменноугольном, юрском, меловом, палеогеновом и неогеновом периодах. Пепловый материал накапливался в прибрежных участках морских акваторий – лагунах, заливах и мелководных приливно-отливных зонах, а также пресных озерах. Месторождения гидротермального типа образовывались за счет гидротермального преобразования туфов и пеплов в основном в палеогеновый период. Бентонитовые глины осадочного генезиса образовывались за счет вымывания и переноса первичного глинистого материала из зон выветривания континентальных участков только в меловом, палеогеновом и неогеновом периодах. К наиболее перспективным регионам для дальнейших поисков и разведки месторождений высококачественных бентонитов относятся провинции каменноугольного возраста Сибири, а также провинции юрского, палеогенового и неогенового возраста Дальнего Востока, включая Приморский край и о. Сахалин, где бентонитовые глины имеют вулканогенно-осадочный и гидротермальный генезис.
Полимодальность распределения интенсивности минералообразования – признак реализации различных вторичных процессов
Проведенные исследования статистических распределений содержаний вторичных минералов в песчаной породе выявили следующую закономерность – формы распределения данных содержаний полимодальны. Целью представленной работы является доказательство следующей гипотезы – при унификации полимодального статистического распределения интенсивности установленного геохимического процесса каждая выборка значений интенсивности, в рамках отдельной моды, будет характеризоваться предсказуемым принципом реализации, интерпретируемым определенной химической реакцией. Методы. Интенсивности геохимических реакций, обусловленных наложенным эпигенезом, определялись с помощью метода статистически-корреляционной интерпретации материалов геофизических исследований скважин. Статистические интенсивности вторичных процессов каолинизации, карбонатизации и пелитизации полевых шпатов в песчаных отложениях вычислялись на основании закономерностей геохимического доминирования ковариационного влияния на регистрируемые параметры геофизических исследований скважин. В результате получали зависимость интенсивности процесса преобразования породы от произведения статистических корреляционных параметров геофизических данных: коэффициента корреляции и интервального параметра. Используя универсальное уравнение мод унифицированных полимодальных распределений плотности вероятностей для процессов преобразования любых открытых систем, была проведена унификация мод интенсивностей вторичных процессов и определены принципы состояний процессов преобразования в рамках каждой вычисленной моды. Изучались вторичные преобразования песчаных отложений Тамбейских нефтегазовых месторождений. Были исследованы корреляционные связи между выборками интенсивностей рассматриваемых процессов в рамках каждой проявленной моды. Выводы. Подтверждено, что каждая мода интенсивности рассматриваемого геохимического процесса обусловлена проявлением определенной геохимической реакции. Проведенные сопоставления описаний принципов состояния процессов с исследуемыми состояниями преобразования доказывают тождественность их динамических режимов трансформации. Зная интенсивность вторичного процесса в качестве атрибута вычисленной моды, можно определить режим геохимического состояния открытой системы коллектора.
Долота, армированные резцами PDC: парадигмы и идеи
Актуальность. Эффективное развитие нефтегазовой отрасли России невозможно без разработки и внедрения в практику буровых работ нового породоразрушающего инструмента для бурения скважин. В статье раскрыто само понятие научная «парадигма» как взгляд на проблемы, решения, методы и теорию применительно к развитию науки в бурении нефтегазовых скважин. Обозначены идеи и парадигмы по технике и технологии сооружения скважин на нефть и газ. Рассмотрены вопросы резания горных пород алмазно-твердосплавными резцами PDC. Выбор эффективной технологии резания горных пород современным породоразрушающим инструментом является актуальной проблемой для геологоразведочной отрасли. Механическая скорость бурения является основным экономическим показателем для буровых компаний, выполняющих сооружение нефтяных и газовых скважин. На примере использования разработанных авторами инновационных долот, армированных резцами PDC, показано, как выглядит современная технология резания горных пород. При рассмотрении конструкции долот с резцами PDC необходимо отметить, что ресурс их зависит не только от конструктивных данных по геометрии, но и от эффективной технологии разрушения горных пород различной категории по буримости. Оптимальные параметры технологии резания горных пород способствуют повышению механической скорости бурения. Показано, что внедрение инновационных разработок в практику буровых работ будет способствовать повышению эффективности сооружения нефтегазовых скважин. Цель настоящей статьи заключается в рассмотрении вопросов теории резания-скалывания горных пород долотами, армированными резцами PDC. Приведено обобщение современных разработок по технологии разрушения горных пород, дано описание инновационных решений по технологии резания горных пород. Результаты и выводы. Рассмотрены основные классы режимов резания – блокированный, полублокированный и свободный. Определены оптимальные режимы резания в зависимости от категорий по буримости горных пород. С учетом экспериментальных исследований определены оптимальные углы установки на долоте резцов PDC.
Модель напряжения литий-ионного аккумулятора для задачи прогнозирования предаварийного состояния
Актуальность. В настоящее время человечество сталкивается с рядом экологических вызовов, среди которых наибольшее значение имеет изменение климата. Основным фактором климатических изменений является глобальное потепление, вызванное значительными выбросами парниковых газов. Одним из ключевых направлений решения данной проблемы является внедрение возобновляемых источников энергии. Однако нестабильность их работы обуславливает необходимость использования систем накопления электроэнергии для обеспечения бесперебойного электропитания потребителей. В этом контексте литий-ионные аккумуляторы являются одними из наиболее перспективных устройств накопления электроэнергии благодаря высокой удельной энергии, ресурсу и эффективности. Однако в процессе эксплуатации литий-ионные аккумуляторы подвержены риску теплового разгона – трудно предсказуемого явления, способного привести к аварийным последствиям. Поэтому задача своевременного прогнозирования предаварийного состояния литий-ионных аккумуляторов становится крайне актуальной с точки зрения обеспечения безопасности. Прямые экспериментальные исследования аварийных состояний сопряжены с высокими затратами и техническими сложностями, поскольку аккумуляторы после теплового разгона, как правило, становятся непригодными для дальнейшей эксплуатации. Это определяет практическую значимость разработки модели напряжения аккумулятора для оценки его предаварийного состояния. Цель данной работы заключается в разработке модели напряжения литий-ионных аккумуляторов в предаварийном состоянии, возникающем, например, при режиме перезаряда. Методы. Опубликованные данные напряжения аккумулятора в предаварийном режиме, математические методы для аппроксимации характеристик и построения соответствующей динамической модели напряжения литий-ионных аккумуляторов. Результаты и выводы. Разработанная модель достаточно адекватно характеризует динамику изменения напряжения аккумулятора в режиме перезаряда. При сравнении с эталонной моделью максимальная погрешность уточненной модели составляет примерно 6,5 %, а средняя относительная погрешность – 0,6 %, что подтверждает эффективность предложенного подхода для использования в задаче прогнозирования.
Проблемы исследования гравитации и антигравитации пластовых систем
Актуальность. Вопросы формирования и размещения месторождений тяжелых и вязких нефтей не являются сугубо отдельной проблемой в геологии. Историю возникновения этого типа углеводородов нельзя отрывать от процесса нефтеобразования. Согласно теории биогенного происхождения углеводородов, легкие, средние, тяжелые и сверхтяжелые нефти формируются из органического вещества в природе. Возможен, в определенных геологических условиях, и абиогенный синтез, но подавляющая часть месторождений нефти и газа с высокой степенью обоснованности является продуктами преобразования остатков органического вещества в горных осадочных породах. Именно изучение этих материалов дает возможность получать положительные результаты в процессе поисково-разведочных работ. Естественно, основные положения биогенного синтеза углеводородов позволяют сформулировать целый ряд постулатов, которые не вызывают сомнений у сторонников различных взглядов на генезис флюидов в природе. К числу таких постулатов, в рамках биогенного синтеза углеводородов (гравитационная теория формирования залежей углеводородов), можно отнести следующие: существование в земной коре газовой, жидкой и твердой фаз углеводородов; закономерное гравитационное распределение в осадочной толще жидких фаз флюидов и газа за счет архимедовой силы, направленной вверх, с участием сил поверхностного натяжения на фазовых контактах, при неподвижности в недрах твердых углеводородов; миграцию (с образованием залежей жидких и газообразных углеводородов), происходящую в виде различных форм передвижения флюидов, с подчинением законам механики при диффузии и фильтрации через первичные и вторичные поры в горных породах. Цель: изучить условия формирования и влияние антигравитационного поля на фильтрационно-емкостные характеристики пластовых систем. Объекты: продуктивные отложения Покурской свиты. Методы. Разработанная концепция исследования гравитации и антигравитации пластовых систем базируется на изучении электромагнитных характеристик горных пород; исследование влияния антигравитационного поля на возможность извлечения высоковязких флюидов из низкопроницаемых пород-коллекторов выполнено с учетом постулатов квантовой механики и квантовой гравитации. Результаты. Определено, что движущей силой при извлечении высоковязких флюидов является не скорость движения фильтрационного потока, а квантово-механический импульс системы «пласт–флюид». Для разработанного методического подхода к исследованию антигравитации пластовых систем интерпретирована семантическая основа постулатов квантовой механики и квантовой гравитации.
Активность ферментов цикла углерода в почвах при загрязнении свинцом
Актуальность. Цикл углерода (С) в почве тесно связан с циклами азота, серы и фосфора. При загрязнении почв тяжелыми металлами происходит нарушение функционирования микробиоты почв, что влияет на биогеохимические циклы элементов, проходящие в почве. Проведены исследования активности ферментов цикла углерода (С) почв России с разными физико-химическими свойствами. Цель: оценить влияние загрязнения свинцом на активность ферментов цикла углерода чернозема обыкновенного и дерново-подзолистой почвы. Объекты. В лабораторном модельном эксперименте были исследованы активности двух типов почв: чернозема обыкновенного и дерново-подзолистой почвы. Почвы, загрязненные свинцом (Pb) в дозах 100, 1000 и 10000 мг/кг, инкубировали в постоянных условиях (влажности почвы и температуре воздуха) в течение 30 суток. По окончании эксперимента каждый вариант каждого типа почв высушивали и проводили определение ферментативной активности в 3–6-кратной повторности. Методы. Была исследована активность восьми ферментов цикла C классов оксидоредуктазы и гидролазы: дегидрогеназы, пероксидаза, полифенолоксидаза, глюкозооксидаза, инвертаза, β-глюкозидаза, целлюлаза, хитиназа. В результате определения активности ферментов оценивали интегральный показатель ферментативной активности почв. Результаты. Целлюлаза и хитиназа дерново-подзолистой почвы были простимулированы при наименьшей концентрации – 100 мг Pb /кг почвы. Ферменты класса оксидоредуктазы более чувствительны, чем класса гидролазы, но гидролазы более информативны, чем оксидоредуктазы. Целлюлаза – самый чувствительный и информативный фермент в дерново-подзолистой почве при загрязнении свинцом. Для чернозема обыкновенного самый чувствительный фермент – глюкозооксидаза, а наиболее информативный – инвертаза. Наибольшей информативностью по всем классам активности ферментов в черноземе обыкновенном обладает инвертаза, а в дерново-подзолистой почве – целлюлаза и β-глюкозидаза. Наибольшей чувствительностью по всем классам активности ферментов в черноземе обыкновенном обладает глюкозооксидаза, а в дерново-подзолистой почве – пероксидаза. Результаты исследования можно использовать при ферментативной диагностике состояния почв после загрязнения тяжелыми металлами.
Минералогия осадков и минералообразующая способность вод озера Красненькое (Северо-Минусинская котловина)
Актуальность. Современные условия осадкообразования представляют интерес, так как могут рассматриваться в качестве естественных полигонов, имитирующих фациальные условия седиментогенеза. Минералогия современных озер может применяться для контроля степени испарения и для изучения процессов эволюции рассолов, что позволит решить вопросы палеоклиматических и палеоэкологических реконструкций. Сезонные вариации природной среды отчетливо фиксируются осадками озерных систем, которые можно использовать в качестве индикаторов местного климата. Цель. Проведение детальной диагностики минеральных видов осадков озера Красненькое (как аналитическими методами, так и с применением физико-химических расчетов) для понимания генезиса формирующихся осадков, в частности для уточнения их гидрогенной природы. Объект. Озеро Красненькое, расположенное на территории Северо-Минусинской котловины, в условиях семиаридного климата. Методы. Методами рентгенофазового анализа установлен качественный и количественный минеральный состав осадков озера Красненькое, при этом детально рассмотрены глинистые минералы. Химический состав озерных вод определялся методами титриметрии, ионной хроматографии (макрокомпоненты) и методом масс-спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой (микрокомпоненты). Произведены физико-химические расчеты насыщения вод озера минералами. Результаты и выводы. В осадках озера Красненькое установлены минералы групп оксидов (кварц), алюмосиликатов (глинистые минералы, полевые шпаты), сульфидов (пирит), карбонатов (арагонит, кальцит, магнезиальный кальцит, доломит), сульфатов (гипс, тенардит, бёркеит) и галогенидов (галит). При этом значения физико-химических расчетов указывают также на наличие в осадках магнезита, сидерита, стронцианита, барита, ярозита и целестина. Установленные минеральные виды разделены по генетическому принципу на две ассоциации: терригенную и гидрогенную. Следует отметить, что теоретические расчеты минералообразующей способности вод показали отличную сходимость с аналитически установленным минеральным составом осадков.
Особенности состава полиароматических углеводородов в природных водах Кузбасса: закономерности распространения и их взаимосвязь с типом вод для техногенных и природных систем
Актуальность. Техногенные cбросы, включая полициклические ароматические углеводороды, изменяют химический состав водных систем, негативно влияя на экосистемы и здоровье человека. Несмотря на региональную специфику Кузбасса, заключающуюся в наличии развитой угольной промышленности, а также развитии смежных отраслей (металлургия, энергетика и химическая промышленность), взаимодействие органических веществ в различных гидрогеологических условиях и под влиянием различных антропогенных факторов остаётся малоизученным. Все это требует комплексного анализа источников загрязнения, закономерностей распределения загрязнителей и их экологических последствий. Цель. Изучить особенности состава и распространения полициклических ароматических углеводородов в природных водах Кузбасса, оценить влияние угольной промышленности на качество вод, идентифицировать маркеры загрязнения с последующим использованием полученных данных для реконструкции условий формирования данных вод в естественных и техногенно-нарушенных условиях. Объекты. Подземные воды преимущественно юрских и верхнепермских терригенно-угленосных отложений тайлуганской свиты Ерунаковской подсерии Кольчугинской серии Кузнецкого бассейна, а также поверхностные воды территории. Методы. Аттестованные методики: титрования, фотометрии, капиллярного электрофореза и высокоэффективной жидкостной хроматографией в лаборатории Томского филиала Института нефтегазовой геологии и геофизики им. А.А. Трофимука. Результаты и выводы. Авторами выполнены исследования химического состава природных вод в нарушенных и природных обстановках на территории Кузбасса. Отмечено, что угольная промышленность существенно влияет на химический состав природных вод Кузбасса, повышая минерализацию и концентрацию органических загрязнителей. Накопление полициклических ароматических углеводородов в глубоких водоносных горизонтах подчёркивает долгосрочные экологические риски. В работе показано, что поверхностные воды вблизи промышленных зон имеют повышенную минерализацию (до 1,83 г/л), высокие концентрации Na⁺, SO₄²⁻ и полициклических ароматических углеводородов (ΣПАУ до 0,88 мкг/л). Подземные воды демонстрируют вертикальную зональность: в зоне активного водообмена ΣПАУ ~0,59 мкг/л, тогда как в глубоких слоях замедленного водообмена выявлены максимальные значения Сорг и ΣПАУ. Фенантрен и флуорантен идентифицированы как устойчивые маркеры техногенного воздействия во всех зонах водообмена. Результаты подтверждают необходимость системного мониторинга, ужесточения контроля промышленных сбросов и разработки стратегий восстановления водных ресурсов. Исследование определяет рамки методологической основы для анализа органического загрязнения в угольных регионах, акцентируя взаимосвязь гидрогеологических процессов и антропогенного воздействия.
Исследование состава промышленных деэмульгаторов водонефтяных эмульсий
Актуальность. Химическая деэмульсация играет важную роль в обеспечении качества товарной нефти. Вместе с тем научное обоснование химизации подготовки скважинной продукции затрудняется эмпирическим подходом к испытаниям эффективности и методами входного контроля, неспецифичными к рецептуре деэмульгаторов. Цель. Получение исчерпывающей информации о составе реагентов для разделения водонефтяных эмульсий, применяющихся в настоящее время на российских предприятиях. Методы. Инфракрасная спектроскопия. Результаты и выводы. Анализ свыше 70 промышленных деэмульгаторов из актуального ассортимента отечественных поставщиков показал, что главной составляющей активной основы являются блок-сополимеры оксидов этилена и пропилена с содержанием внешних звеньев оксида этилена от 15 до 45 мол. % и молекулярной массой 4000–12000 г/моль. Менее чем в половине случаев в число действующих компонентов входит до 3–5 мас. % Неонола и/или сложных эфиров. Обзор отечественных и зарубежных лабораторных исследований подтверждает, что максимальной эффективностью разделения дисперсных систем с углеводородной и водной фазами обладают структуры с 20–40 мол. % внешних оксиэтильных блоков и молекулярной массой 4000–7000 г/моль на основе диолов и диаминов и от 10000–20000 г/моль – дендримеры на основе полифункциональных молекул-инициаторов полимеризации. Сделанные в работе экспериментальные выводы расходятся с литературными рекомендациями использовать для разрушения водонефтяных эмульсий помимо простых алифатических полиэфиров многокомпонентные смеси, включающие алкилфенолформальдегидные смолы, полиуретаны, сульфокислоты и сульфонаты, азот- и фосфорсодержащие соединения. В то же время полученные результаты дают возможность оптимизировать процедуру лабораторных испытаний деэмульгаторов, исключая заведомо неэффективные и дублирующие реагенты на основании их структурных характеристик.
Очистка нефтесодержащих сточных вод с помощью поверхностно-модифицированного шлака
Актуальность. Рассматривались проблемы удаления мелкодисперсных и эмульгированных нефтепродуктов из сточных вод с использованием методов сорбции и фильтрации. Нефтесодержащие сточные воды представляют серьезную экологическую угрозу, и их объем растет во всем мире. Поэтому разработка новых или совершенствование существующих методов очистки таких сточных вод имеет принципиальное значение. В данном исследовании в качестве сорбента использовали шлак с размером частиц 2,0–5,0 мм, поверхность которого была модифицирована полиметил(алкокси)силоксаном. Его наличие придало полимеру гидрофобные свойства, делая его водоотталкивающим. Соответствующие исследования подтвердили качественные свойства модифицированных сорбентов с точки зрения поглощения нефтепродуктов (доведя этот показатель с 50–54 до 86 %), воды и плавучести. Цель. Модифицирование поверхности вулканического шлака полиметил(алкокси)силоксаном, в результате чего улучшаются сорбционные и фильтрующие свойства шлака при очистке сточных вод от мелкодисперсных и особенно эмульгированных нефтепродуктов. Методы. Экспериментальный метод на химических стаканах по водопоглощаемости и плавучести модифицированного шлака, экспериментальный метод на лабораторном минифильтре по нефтепоглощаемости, метод ИК-спектрометрического анализа, подтверждающий модификацию поверхности шлака. Результаты и выводы. Водопоглощаемость модифицированного сорбента вулканического шлака снизилась на 40 % по сравнению с значениям до модификации. Концентрации масла до и после адсорбции измеряли с помощью УФ-ВИД спектрофотометра (Cary-60). Длина волны 39,0 нм соответствует максимальному поглощению масла шлаком. После модификации полиметил(алкокси)силоксаном поглощение увеличилось более чем на 30 % по сравнению с немодифицированным шлаком. Исследованиями на лабораторном минифильтре выявлена оптимальная скорость фильтрования 5–6,5 м/ч. Лабораторные исследования также показали, что нефтепоглощаемость при применении модифицированного полиметил(алкокси)силоксанаом шлака увеличивается на 26–32 % по сравнению с обычным шлаком, увеличивая этот показатель до 86 %. При применении в качестве фильтрующей загрузки полиметил(алкокси)силоксан крупностью фракции 1,5–2,5 мм максимальная эффективность по нефтепоглощению достигалось в 1,5–2 раза быстрее, чем при обычном вулканическом шлаке.
Золоторудное месторождение Сухой Лог (Патомское нагорье). Часть II. Структура геофизических и радиогеохимических полей
Актуальность. Месторождение Сухой Лог формировалось в течение длительного геологического времени за несколько этапов. Имеются серьезные разногласия в выделении ключевых этапов рудогенеза этого уникального месторождения, что сохраняет неопределенность в отношении главной проблемы, его происхождения – метаморфогенно-гидротермального или магматогенно-гидротермального. При этом в процессе её решения очень мало привлекались результаты геофизических исследований, системный анализ которых, в дополнение к уже существующим геологическим, геохимическим и геохронологическим исследованиям, позволит приблизиться к решению этой проблемы и существенно уточнить прогнозно-признаковую базу для геофизического поиска перспективных участков. Данная работа продолжает цикл статей, посвященных геологии и геофизике уникального золоторудного месторождения Сухой Лог. Цель этой статьи заключается в детальном анализе структуры геофизических и радиогеохимических полей для выделения аномальных зон с признаками формирования в разное время и в разных условиях, отражающих многоэтапную эволюцию месторождения, а также в выявлении связи этих зон с распределением золоторудной минерализации. Методы. Анализировались физические поля, исследованные методами наземной магниторазведки, гравиразведки и электроразведки, а также радиогеохимические поля распределения урана, тория и калия, полученные по результатам аэрогамма-спектрометрической съёмки. Результаты и выводы. Установлены три геофизические обстановки, образование которых происходило в разное время и в разных условиях. Формирование наиболее ранних аномалий связывается с этапом дислокационного метаморфизма, их особенностью является стратиформный облик и высокая подчиненность структурным элементам Сухоложской антиклинали. Признаки продуктов второго и третьего этапов указывают на их гидротермально-метасоматическую природу: ослабевает или утрачивается полностью влияние пликативной тектоники на их размещение и возрастает влияние разрывных нарушений. Установлены косвенные признаки связи третьего этапа рудогенеза с герцинским гранитоидным магматизмом. Отчетливо выражено резкое увеличение объема и качества руд на участках с признаками гидротермально-метасоматической проработки, особенно это касается третьего, заключительного этапа. Дан прогноз скрытого на глубине оруденения в имняхских отложениях на северо-западной окраине площади аэрогеофизических исследований.
Обзор потенциальных методов переработки рутил-лейкоксенового концентрата Туганского месторождения с получением титансодержащей продукции
Актуальность данной работы состоит в наличии спроса на богатые концентраты диоксида титана с содержанием TiO2 не менее 80 %, а также в ограниченности запасов подобного сырья. Данные концентраты используются в производстве металлического титана (порошок, губка) и его сплавов, а также для производства пигментного диоксида титана, сварочных электродов и т. п. Вследствие ограниченности запасов данные концентраты получают из концентратов других более распространенных минералов титана – ильменита, лейкоксена. Ввиду наличия в упомянутых минералах лимитирующих примесей возникает потребность в разработке способа их переработки с целью доведения полученного продукта до соответствия требованиям промышленных предприятий. Цель работы заключается в проведении обзора существующих методов химического обогащения титановых концентратов с получением концентрата синтетического рутила или его аналогов, позволяющих использовать их в промышленности. Методами являются поиск и анализ имеющихся исследований, посвященных данному вопросу. Также определен элементный и минералогический состав рутил-лейкоксенового концентрата Туганского месторождения с использованием элементного и рентгеноструктурного анализа. Результаты и выводы. Pассмотренные минералы титана, содержащиеся в концентратах, могут быть переработаны как классическими, так и иными методами, которые еще не нашли широкого применения в промышленности. Стоит выделить ильменитовый концентрат, который может быть использован для получения титановой губки и пигментного диоксида титана. Рутил-лейкоксеновый концентрат Туганского месторождения, представляющий собой смесь минералов титана (рутил, псевдорутил, сфен, анатаз, брукит, ильменит) и иных минералов (циркон, кварц и др.), может быть рассмотрен в качестве нетрадиционного титансодержащего сырья, переработка которого ограничена из-за большого количества примесей, удаление которых потребует проведения различных вариантов химического обогащения. В качестве потенциального решения вопроса его переработки предлагается использование фторидов аммония, реагирующих с подавляющим большинством химически упорных оксидов при относительно мягких условиях.
Понятие матричного всасывания в теории поведения ненасыщенных грунтов
Авторы рассматривают ключевой вопрос механики ненасыщенных грунтов, касающийся правильного использования понятия матричного всасывания: является ли матричное всасывание переменной напряжения или переменной напряженного состояния? Цель. Определение корректного подхода к описанию матричного всасывания и его влияния на поведение ненасыщенных грунтов. Материалы и методы. Общепринятый принцип механического равновесия и концепция представительного элементарного объема для многофазных пористых сред, включающих воздух, воду и твердые частицы. Авторы обобщили общепринятые физические и логические рассуждения для анализа матричного всасывания в типичных условиях воздух–вода–твердое тело. Результаты исследования. Матричное всасывание не является переменной напряжения на типичном уровне воздух–вода–твердое тело. Вместо этого его следует рассматривать как переменную напряженного состояния. Также установлено, что при рассмотрении матричного всасывания как переменной напряженного состояния существует взаимозависимость между ним и нормальным напряжением при одновременном использовании для описания состояния напряжения в ненасыщенных грунтах. Полученные результаты имеют важные последствия для концепции, теоретизации и применения механики ненасыщенных грунтов. Понимание того, что матричное всасывание является переменной напряженного состояния и взаимосвязано с нормальным напряжением позволяет более точно моделировать поведение ненасыщенных грунтов и разрабатывать более надежные инженерные решения. Это исследование способствует углублению знаний в области механики грунтов и предоставляет новые направления для дальнейших научных изысканий.
Органически связанные формы нахождения редкоземельных и радиоактивных элементов в торфе верхового типа
Актуальность исследования определяется необходимостью более широкого анализа механизмов связывания радиоактивных и редкоземельных элементов с различным химическим поведением с растворенным органическим веществом для адекватной оценки их подвижности в окружающей среде. Цель. Определение флуоресцентных компонентов растворенного органического вещества торфа с использованием анализа PARAFAC и установление прочности связей элементов с органическим веществом торфа. Методы. Анализ группового состава торфа, гамма-спектрометрия, спектрофотометрия, флуоресцентная спектроскопия, анализ компонентов PARAFAC, масс-спектрометрия с индуктивно-связанной плазмой. Результаты и выводы. Исследован групповой химический состав торфяной залежи Петропавловский Рям по профилю. Установлено, что с увеличением глубины в торфе возрастают содержание гуминовых кислот, битумов, целлюлозы, а также зольность торфа. Изучено распределение техногенных радионуклидов в торфе в зависимости от глубины. Установлено, что максимум цезия-137 и америция-241 сосредоточено в слое 20–30 см, а максимальная активность плутония-239,240 приходится на слой 10–20 см. Определены оптические свойства растворенного органического вещества торфа в зависимости от его глубины и рН раствора, на основании чего удалось оценить особенности строения органических соединений гуминовой части торфа. С использованием факторного анализа PARAFAC определены основные компоненты торфа – фульвовая и гуминовые кислоты, содержание фульвокислот преобладает над гуминовыми в 1,5 раза при рН 3–12, и в 1,7–2 раза при рН 0,5–2,5. Изучено пространственное распределение редкоземельных элементов и Th, U по профилю верхового слоя торфа и установлено их сродство к органическим фракциям. Самые прочные комплексы с гуминовыми кислотами образует торий (связывание 70–80 %), связывание урана с гуминовыми кислотами составило 30–40 %, редких земель – 20–37 %.
Сравнение характеристик сорбентов из каменных углей марок Д, ДГ и Г
Актуальность. В связи со снижением экспортного потенциала каменных углей существует устойчивый интерес угольных компаний к получению дополнительных продуктов из добываемого сырья. Диверсификация выпуска продукции может быть осуществлена за счет глубокой переработки ископаемого топлива и получения продуктов с повышенной добавленной стоимостью. Перспективным направлением в данном случае является производство сорбентов из энергетических, мало востребованных на рынке и других углей. Цель. Оценка перспектив получения сорбентов из каменных углей марок Д, ДГ и Г и расширение базы данных их характеристик. Представлены исследования сорбционной активности, удельной поверхности сорбентов и среднего диаметра пор. Методы. Исследования состояли в отработке двух подходов, условно обозначенных как одноступенчатая и двухступенчатая технология. При одноступенчатой технологии производилась непосредственная активация исходного материала перегретым водяным паром в кипящем слое при температуре 850 °C и атмосферном давлении. Двухступенчатая технология заключалась в предварительном частичном удалении летучих веществ из исходных материалов в муфельной печи, а затем в активации в перегретом водяном паре при температуре 850 °C и атмосферном давлении. Результаты и выводы. Для проведенных экспериментальных исследований создана база данных для исследованных материалов, которая содержит информацию по сорбционной активности, определенной по метиленовому голубому и йоду, удельной поверхности и среднему размеру пор. По результатам экспериментальных исследований установлено, что средний размер пор для исследованных материалов независимо от способа активации составил 2,2–2,4 нм. Сорбционная активность по метиленовому голубому в большинстве случаев составляет от 60 до 80 мг/г, по йоду – от 8 до 13 %.
Оценка влияния потерь в стали статора на энергетические показатели погружного электродвигателя при стохастической процедуре сборки послеремонтного погружного электродвигателя
Актуальность. По ХМАО-Югре имеется более 89 тысяч единиц общего эксплуатационного фонда нефтяных скважин. Это позволяет стабильно добывать около 41 % российской нефти. В настоящий период значительная часть эксплуатируемых нефтяных месторождений находится в категории трудноизвлекаемых. Это составляет более 70 % от общего объема фонда скважин. Из них большая часть действующего добывающего фонда в качестве инструмента нефтедобычи использует установку электроцентробежного насоса с асинхронным погружным электродвигателем. Технологические вызовы в настоящий период требуют решения задач реновации имеющегося фонда нефтяных скважин. Одна из таких задач – увеличение наработки на отказ послеремонтных погружных электродвигателей. Поскольку в настоящее время после ремонта погружного электродвигателя его показатель наработки на отказ, как правило, снижается. В свою очередь, одна из основных вариативных компонент, послеремонтного погружного электродвигателя, а именно пакеты ротора с короткозамкнутой обмоткой, обладает значительной дисперсией их электромагнитных свойств. Объяснение этому факту лежит в особенностях технологий изготовления и обслуживания при ремонте пакета ротора. Также известно, что после ремонта существуют значительные вариации величины магнитной индукции в зубцово-пазовой зоне активной части статора и ротора. Указанные выше обстоятельства позволяют предложить следующую гипотезу. Гипотеза исследования состоит в том, что в операционной партии пакетов ротора с короткозамкнутой обмоткой их электромагнитные параметры обладают значительной дисперсией. Взаимодействие и взаимовлияние таких пакетов ротора в сборке послеремонтного погружного электродвигателя между собой и с активной частью статора приводят к высокой вероятности формирования в магнитопроводе статора участков с локальным аномально высоким выделением энергии вихревых токов и энергии перемагничивания. Соответственно формируются участки с локальным аномально высоким выделением тепловой энергии в стали статора. Появление в стали статора областей, с указанными выше свойствами, приводит к ускоренной деградации прилегающих локальных участков изоляции обмотки статора. Указанное явление создает предпосылки к возникновению «пожара в стали» статора. Это, в свою очередь, становится предпосылкой для отказа всего погружного электродвигателя. Цель. Оценить влияние вариаций электромагнитных параметров пакетов ротора в сочетании с вариациями параметров цепи намагничивания на значения интегральных и локальных энергетических показателей погружного электродвигателя. Методы. Системный анализ, статистический анализ, теория электрических машин, теория многодвигательных электроприводов, методы планирования эксперимента, методы идентификации параметров электроприводов. Результаты и выводы. Предложена математическая модель асинхронного погружного электродвигателя как совокупности взаимодействующих и взаимовлияющих математических моделей элементарных электрических машин в рамках теории многодвигательного электропривода. Дано определение понятия элементарная электрическая машина. Показана вероятность появления вдоль расточки статора участков с локальным аномально высоким выделением энергии вихревых токов и энергии перемагничивания с последующим преобразованием в тепловую энергию. Определены условия появления этого эффекта. Показана принципиальная рассогласованность диапазонов локальных тепловыделений в активной части погружного электродвигателя и интегральных диапазонов, регистрируемых внешними устройствами, что приводит к ошибочному прогнозу состояний изоляции обмоток статора и «железа» статора и ротора.