| Математическое моделирование и разработка системы диагностики состояния технологического процесса и управления качеством продукции : на примере процесса непрерывного литья заготовки алюминиевой фольги
Диссертация
Автор: Бабенко, Алексей Григорьевич
Название: Математическое моделирование и разработка системы диагностики состояния технологического процесса и управления качеством продукции : на примере процесса непрерывного литья заготовки алюминиевой фольги
Справка: Бабенко, Алексей Григорьевич. Математическое моделирование и разработка системы диагностики состояния технологического процесса и управления качеством продукции : на примере процесса непрерывного литья заготовки алюминиевой фольги : диссертация кандидата технических наук : 05.13.18 Екатеринбург, 2007 147 c. : 61 07-5/2857
Объем: 147 стр.
Информация: Екатеринбург, 2007
Содержание:
Глава 1 Технологии полного извлечения нефти
11 Проблема повышения нефтеотдачи пластов
12 Краткая история развития нефтедобычи
13 Этапы разработки нефтяных месторождений
14 Искусственные методы воздействия на нефтяные пласты и призабойную зону
15 Применение основных методов увеличения нефтеотдачи пластов: затраты, качество нефти, экологическая безопасность
16 Динамические воздействия на пласт и постановка задачи моделирования процесса полного извлечения остаточной нефти
17 Обзор работ по механики смесей
Глава 2 Задача оптимального управления процессом нефтедобычи из обводненных месторояедений на основе модели сдвиговой смеси
21 Общая постановка задачи оптимального управления процессом нефтедобычи из обводненных месторождений
22 Сдвиговые смеси основные гипотезы и математическая модель
23 Дисперсионные свойства
24 Физические постоянные в теории смеси
25 Получение эволюционных уравнений
26 Фазово-групповой синхронизм
27 Методика оптимального управления процессом конечного нефтеизвлечения при вибрационном воздействии
Глава 3 Разработка методов диагностирования технологических систем на основе теории инерционной смеси
31 Уравнения динамики, дисперсионные свойства инерционной смеси
32 Определение модулей упругости смеси на основе анализа дисперсионных свойств
33 Нелинейная модель инерционной упругой смеси
34 Генерация второй гармоники продольной волны
35 Трехчастотное резонансное взаимодействия продольных волн
Глава 4 Решение некоторых задач технической диагностики
41 Определение механических напряжений в материалах и конструкциях
42 Акустическая диагностика строительных материалов
Введение:
Актуальность. В настоящее время нефть остается решающим фактором в мировых энергетических ресурсах, но сырьевая база стремительно сокращается, добыча становится все более затратной, и поэтому особенно актуальными сегодня являются проблемы наиболее полного и безопасного извлечения нефти из недр.Наиболее существенно на развитие нефтяной промышленности России в последние годы влияет постепенно накапливаемое негативное изменение структуры разрабатываемых запасов нефти. В эксплуатацию вводится все большее число месторождений с низкопроницаемыми пластами, увеличивается количество нефти, содержащейся в полностью обводненных пластах. В настоящее время ни у кого не вызывает сомнений то, что структура запасов нефти и состояние их разработки требуют ускоренного создания и широкого применения новых более эффективных технологий воздействия на пласты.Как известно, Россия располагает огромными ресурсами нефти (13% от мировых запасов), из которых 65% - неоткрытые месторождения. Из прогнозных ресурсов нефти большую долю составляют Западная и Восточная Сибирь (80%), далее ТиманоПечорская провинция и Урало-Поволжье. На шельфы морей и океанов приходится 4% [101]. Если на ближайшее столетие России хватит своей нефти, то добыча ее в наше время не обеспечивает потребностей развития экономики страны. От максимального уровня добычи нефти в России в 569 млн. т., приходящего на 1988г., она упала до 298 млн. т. в 1996г., а в 2000г. составила более 300 млн. т. Это произошло не только в результате кризисных явлений в России, что значительно снизило темпы разведочных работ, сыграло свою роль и низкое качество открываемых месторождений, особенно в геологических и природно-климатических условиях Сибири и Крайнего Севера. в сложившейся ситуации для научно-технического прогресса в топливно-энергетическом комплексе необходимо решить ряд проблем в нефтяной промышленности, а именно: необходимо кардинально повысить эффективность разработок нефтяных месторождений различного типа, включая сложнопостроенные и месторождения с трудноизвлекаемыми запасами; обеспечить при этом за счет новых технологических схем разработки последних кратное увеличении продуктивности скважин и конечного коэффициента нефтеизвлечения не менее чем в 1,5-2 раза по отношению к существз^щему уровню; обеспечить добычу нефти в объемах, предусмотренных сценариями энергетической стратегии.Для достижения указанных целей требуется выполнить комплекс научных исследований и разработок по следующим направлениям: создание и широкое освоение технологий и оборудования, обеспечивающих высокоэффективную разработку трудноизвлекаемых запасов нефти для условий низкопроницаемых коллекторов и остаточных запасов нефти обводненных зон; разработка и освоение технологий восстановления эффективного использования простаивающих и малодебитных скважин.В настоящее время для повышения нефтеотдачи применяется несколько десятков разнообразных методов, каждый из которых имеет свои преимущества и недостатки, различную направленность и эффективность. Одни из них предполагают использование достаточно дорогих или экологически опасных реагентов, другие отличаются высокой трудоемкостью, что сдерживает их широкое применение. Снижение дебита добывающих скважин или приемистости нагнетательных в основном обусловлено ухудшением фильтрационных свойств норового пространства пласта в непосредственной близости от обсадной колонны скважины из-за отложений парафина, смол, солей или твердых частиц. Поэтому восстановление фильтрационных свойств призабойной зоны пласта является важным условием обеспечения необходимого дебита скважин. Поддержание на стабильном уровне фильтрационных свойств зоны перфорации скважины, а также создание условий, уменьшающих коэффициент поверхностного натяжения нефтяной смеси в нефтяном пласте, необходимы для повышения нефтеотдачи и полной выработке пласта.Выполнение этих требований обеспечивает предложенный в данной работе акустический метод очистки призабойной зоны пласта и интенсификации добычи нефти. Для реализации создания технологии, обеспечивающую высокоэффективную разработку трудноизвлекаемых запасов нефти, была построена математическая модель нефтесодержащего пласта. Для ее построения использовалась теория смесей деформируемых твердых тел. В основу этой теории положена концепция взаимопроникающих континуумов, из которой следует, что каждая точка области, занятая смесью, одновременно занята обоими компонентами. Предложенная теория позволяет описывать смеси реальных материалов моделью двух взаимодействующих упругих сред. На основе анализа распространения упругих волн было показано, что в условиях длиннокороткого резонанса возможна генерация высоких ультразвуковых частот сейсмическими волнами. Ультразвук уменьшает капиллярные силы и вязкость жидкости, способствует выделению растворенных и «захваченных» газов, а также увеличению скорости потоков. В данной работе изучена технология генерации ультразвука поверхностными вибраторами, что в конечном итоге позволит стабилизировать обводненность добываемой продукции, снизить темпы падения и стабилизировать добычу нефти.На актуальность данной диссертации указывает еще и тот факт, что, помимо применения теории смеси для увеличения конечной нефтеотдачи пласта, в ней предлагается использовать модель двухкомпонентных смесей для определения механических свойств изделий на основе зависимостей скоростей распространения упругих волн и развития новых методов акустической неразрушающей диагностики строительных материалов.Развиваемая в работе теория смесей позволяет изучить влияние наличия микроструктуры на дисперсионные характеристики упругих волн, а также исследовать нелинейные эффекты при распространении волн в неоднородных материалах.Работа имеет следующие цели: - разработка модели оптимального управления процессом нефтедобычи из эксплуатируемых длительное время высокообводненных нефтяных месторождений; - разработка математической модели процесса повышения нефтеотдачи при вибрационном воздействии на продуктивные пласты с земной поверхности; - изучение особенностей распространения упругих волн, характерных для тел с микроструктурой и исследование возможности их использования для создания новых методов акустической неразрушающей диагностики технологических систем.Научная новизна. В диссертации поставлена общая задача управления процессом нефтеотдачи обводненных месторождений, и она была решена для оптимального метода - вибрационного воздействия на нефтяные пласты. На основе развитой в работе теории смесей деформируемых твердых тел, была построена математическая модель для описания возбуждения ультразвука в нефтесодержащем пласте.Изучены линейные и нелинейные эффекты, которые возникают при распространении и взаимодействии волн в двухкомпонентных сдвиговых и инерционных смесях твердых тел и, исходя из их анализа, предложено изучать физико-механические свойства реальных сред с помощью теории смесей.Научное и практическое значение. Построение достоверной математической модели будет способствовать процессу управляемой и оптимальной генерации ультразвука в нефтесодержащем пласте. От наблюдаемого физического явления можно будет перейти к созданию новой технологии полного извлечения остаточной нефти.Полученные результаты позволят управлять процессом добычи нефти с помощью целенаправленных вибрационных воздействий на продуктивные пласты с земной поверхности на определенных частотах.На основе моделей двухкомпонентных сдвиговых и инерционных смесей деформируемых твердых тел возможно создание новых методов акустической неразрушающей диагностики технологических систем, включая строительные материалы и конструкции.Основные положения, выносимые на защиту 1. Постановка и решение задачи управления конечного нефтеизвлечения из эксплуатируемых длительное время месторождений на основе целенаправленных вибровоздействий.2. Построение математической модели сдвиговой смеси деформируемых твердых тел, учитывающей геометрическую и физическую нелинейности, для описания процесса возбуждения ультразвука в нефтесодержащем пласте.3. Исследование особенностей распространения и взаимодействия упругих волн в сдвиговых и инерционных смесях деформируемых твердых тел и разработка на их основе методов акустической диагностики технологических систем.Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, четырех глав и заключения. Общий объем составляет 125 стр., включая 26 рисунков, 10 стр. библиографии, содержащей 131 наименование.Краткое содержание.Во Введении дается общая характеристика работы, формулируются цели, отмечается их актуальность.Первая глава посвящена анализу проблем нефтедобычи и существующих методов разработки нефтяных месторождений, а также поставлена задача математического моделирования полного нефтеизвлечения из эксплуатируемых длительное время обводненных нефтяных пластов.В п.1.1. представлена проблема повышения нефтеотдачи платов, определены факторы, ограничивающие применение технологий полного извлечения нефти.В п.1.2. представлена краткая история развития нефтедобычи от примитивных (сбор нефти с поверхности водоемов, извлечение нефти из ям и колодцев) до компрессорного способа.В п.1.3. представлены этапы разработки нефтяных месторождений от начала эксплуатации до заключительной стадии.В п. 1.4. приведен обзор существующих методов воздействия на нефтяные пласты и призабойную зону, таких как методы поддержания пластового давления; методы, повышающие проницаемость пласта и призабойной зоны; методы повышения нефтеотдачи пластов.В п. 1.5. проведен анализ отрицательного воздействия и трудностей реализации часто применяемых методов воздействия на нефтяные пласты - химических и гидравлического разрыва пласта. в п. 1.6. проведен анализ существующих способов акустического воздействия на призабойную зону пласта и скважину, поставлена задача моделирования процесса вибрационного воздействия со свободной поверхности пласта для полного извлечения остаточной нефти.В п. 1.7. представлен обзор литературы по моделированию материалов с микроструктурой и изучению, происходящих в них, волновых процессов.Во Второй главе решена задача оптимального управления процессом нефтедобычи обводненных месторождений; построена математическая модель сдвиговой смеси деформируемых твердых тел, позволяющая описывать генерацию ультразвука в нефтесодержащем пласте; предложена методика оптимального управления процессом конечного нефтеизвлечения при вибрационном воздействии; исследуются особенности распространения упругих волн в сдвиговых смесях.В п. 2.1, на основе рассмотренных в главе 1 проблем добычи нефти и методов конечного нефтеизвлечения, сформулирована задача оптимального управления процессом нефтедобычи обводненных месторождений.В п.2.2 получены уравнения динамики двухкомпонентной сдвиговой смеси. Показано, что в смесях могут распространяться те же типы волн - продольные и сдвиговые, как и в классическом изотропном теле.В п.2.3 изучены дисперсионные свойства плоских продольных и сдвиговых волн. Показано, что волны обладают дисперсией и характеризуются двумя дисперсионными ветвями. Отмечено, что смесь является фильтром высоких частот. в п. 2.4 представлены два подхода для определения физических постоянных смесей и основные результаты В п.2.5 описана процедура получения эволюционных уравнений, которые используются для изучения процессов взаимодействия волн. Показано, что одна из ветвей для продольных волн описывается уравнением Кортевега-де Вриза, а другая уравнением Шредингера.В п. 2.6 изучается процесс взаимодействия между длинными и короткими волнами. Предложено описывать генерацию ультразвука в нефтесодержащем пласте с помощью теории сдвиговой смеси.Отмечено, что ультразвуковые колебания положительно влияют на конечную нефтеотдачу пласта.В п.2.7 предложена методика производства работ для оптимального управления процессом конечного нефтеизвлечения при вибрационном воздействии на обводненные нефтяные месторождения.В Третьей главе исследуются линейные и нелинейные волновые процессы, происходящие в инерционной смеси. На основе этих исследований разрабатываются методы диагностирования технологических систем.В п.3.1 была развита теория смесей деформируемых твердых тел, получены уравнения динамики инерционной двухкомпонентной смеси и на их основе изучены дисперсионные свойства.Рассматривались смеси, состоящие из близких материалов, т.е. отношения плотностей и модулей упругости не превышало единицу.Установлено, что в смеси может наблюдаться явление «обратно волны», суть которого заключается в том, что волна распространяется в положительном направлении оси х, а поток энергии в противоположную сторону.В п. 3.2 на основе характеристик дисперсионных ветвей были определены физические постоянные для изотропной инерционной смеси.В п. 3.3 построена нелинейная математическая модель, сохраняющая микроструктурные эффекты линейной теории и позволяющая рассматривать взаимодействия волн различных частот.В. п. 3.4 рассматривается процесс генерации второй гармоники продольной волны. Показано, что на малых частотах по акустическим свойствам смесь подобна бетону, а с увеличением частоты величина второй гармоники не будет превышать начальной амплитуды, и смесь по акустическим свойствам аналогична металлам и сплавам.В.п.3.5 рассматривается трехчастотное взаимодействие продольных волн. Указаны диапазоны частот, где этот процесс возможен.Полз^ена система укороченных уравнений для комплексных амплитуд взаимодействующих волн. Получено решение системы в стационарном случае, которое носит характер пространственных биений.В Четвертой главе теория смесей применяется для решения некоторых задач технической диагностики конструкционных материалов.В п. 4.1. на основе анализа дисперсионных свойств двухкомпонентных сдвиговых смесей деформируемых твердых тел предложено для определения напряженного состояния в конструкционных материалах использовать при моделировании процессов распространения теорию смесей.В п. 4.2. на основе анализа генерации второй гармоники в двухкомпонентных инерционных смесях деформируемых твердых тел предложено для разработки методов неразрушаюпдего контроля диагностики строительных материалов использовать теорию смесей.Основные результаты диссертационной работы были получены в ходе выполнения научно-исследовательских программ Нф ИМАШ РАН по теме «Нелинейные волны в твердых телах с микроструктурой. Теория. Эксперимент. Компьютерное моделирование» (1996-1999г.г.) и при выполнении работы по грантам: Теоретические и экспериментальные исследования распространения нелинейных акустических волн в поврежденных твердых телах и твердотельных волноводах с микроструктурой.1997-1999Г.Г. (РФФИ 96-02-19792, рук.д.ф.-м.н. Ерофеев В.И.) Грант президента РФ 1998-2000г.г. (98-15-96127, рук. д.ф.-м.н.Ерофеев В.И.) Региональный учебно-научный центр «Механика материалов и конструкций» 1997-2000г.г. (ФЦП «Интеграция». Проект №0542, рук. академик Митенков Ф.М., проф. Баженов В.Г.) Нелинейные акустические волны в твердых средах с дислокациями. 2000-2002г.г. (РФФИ 00-02-17337, рук. д.ф.-м.н.Ерофеев В.И.) За цикл работ «Нелинейность и дисперсия упругих волн в твердых инерционных смесей» была присуждена медаль Российской академии наук для студентов высших учебных заведений по итогам 11-го конкурса 1999г., посвященного 275-летию РАН, в области проблем машиностроения, механики и процессов управления (постановление президиума РАН №165 от 20.06.2000).Работа была поддержана стипендиями Дж. Сороса в 1998, 2000 г.г. по итогам конкурса «Соросовский студент»; стипендиями имени академика Г. А. Разуваева в 2001, 2002 г.г. За работу «Распространение упругих волн в двухкомпонентных смесях деформируемых твердых тел» был присужден диплом III степени на всероссийском конкурсе научных работ молодых ученых, посвященном 100-летию А.И. Лурье в 2001 г.Публикации. Основные положения диссертации содержатся в работах [7, 86-99, 130].Апробация основных результатов. Материалы диссертации докладывались на VI сессии Российского акустического общества «Акустика на пороге 21 века» (Москва, 1997); на V Международном совещании-семинаре «Инженерно-технические проблемы новой техники» (Москва, 1998); на Международных молодежных научных конференциях «XXV и X X V I Гагаринские чтения» (Москва, 1999, 2000) ; на Третьей научной конференции по радиофизике (Н.Новгород, 1999); на Третьей международной научно-технической конференции «Чкаловские чтения. Инженерно- технические проблемы авиационной и космической техники» (Егорьеск, 1999); на V Международной конференции «Нелинейные колебания механических систем» (Н.Новгород, 1999); на XIII симпозиуме «Динамика виброударных (сильно нелинейных) систем (Звенигород, 2001) ; на 24 летней школе «Актуальные проблемы механики» (Санкт-Петербург (Репино), 2001); на семинаре в институте механики сплошных сред Уральского отделения РАН (Пермь, 2001).
|