image
energas.ru

Территория Нефтегаз № 1-2 2017

Экология

01.1-2.2017 10:00 Оценка информативности флуоресцентного спектра деградированной и разбавленной сырой нефти
Исследование характеристик деградированной нефти является важной экологической задачей зон морской нефтедобычи. Известно, что характеристики сырой нефти, подвергнувшейся деградации, могут значительно отличаться от характеристик сырой нефти, подвергнувшейся совместному воздействию нескольких деградационных процессов. Одним из перспективных методов для изучения свойств деградированной нефти является флуоресцентная спектроскопия. Статья посвящена оценке информативности флуоресцентного спектра деградированной сырой нефти. Анализ результатов известных экспериментальных исследований флуоресцентного спектра деградированной сырой нефти показал наличие интервалов длин волн, в которых наблюдается полное взаимное перекрытие спектральных кривых. Сформулированы и решены две модельные оптимизационные задачи, что позволило выявить оптимальные условия проведения измерительного эксперимента по изучению информативности флуоресцентного спектра.
Ключевые слова: флуоресцентный спектр, нефть, деградация, информация, оптимизация.
Ссылка для цитирования: Гасанзаде К.И., Гусейнова Р.О. Оценка информативности флуоресцентного спектра деградированной и разбавленной сырой нефти // Территория «НЕФТЕГАЗ». 2017. № 1–2. С. 114–116.
Открыть PDF


Нефть является комплексной смесью углеводородных соединений, состоящих в основном из углерода и водорода. Эти углеводороды разделены на три класса: алканы, циклоалканы и ароматики. Как указывается в работе [1], состав сырой нефти, разлитой на поверхность моря, подвергается различным процессам деградации, к которым относятся эвапорация, фотолиз, биодеградация и др. Изучение характеристик деградированной сырой нефти является важной задачей экологии зон морской нефтедобычи [2]. Как отмечено в работе [2], характеристики сырой нефти, подвергшейся непрерывной деградации под воздействием единого процесса, могут значительно отличаться от характеристик сырой нефти, подвергшейся воздействию нескольких деградационных процессов, протекающих с перерывами. Одним из перспективных методов для изучения свойств деградированной нефти является флуоресцентная спектроскопия. Согласно [3] значительное изменение характеристик сырой нефти также имеет место при разбавлении нефти различными разбавителями. Указанные изменения охватывают также флуоресцентные спектры разбавленных углеводородов. В статье исследуются общие закономерности изменения информационного содержания результатов изменения флуоресцентных спектров деградированной и разбавленной сырой нефти.

Как отмечается в работе [1], флуоресцентная спектроскопия является быстродействующим, чувствительным и селективным методом, предназначенным для идентификации типов разлитой нефти.

Image_008.png
Рис. 1. Флуоресцентные спектры сырой нефти после деградации в течение одного года: оставшейся на поверхности воды (1) и осевшей на дно (2)
Fig. 1. The fluorescence spectra of crude oil after the degradation during one year, remained on the water surface (1) and deposited on the bottom (2)


Большинство типов сырой нефти являются флуоресцентными, так как в их состав входят полициклические ароматические углеводороды (ПАУ). Согласно [1] деградация нефти является комплексным и непредсказуемым процессом.

Каждый образец нефти имеет свою неповторимую особенность деградации, и единая общая характеристика деградации всех типов нефти невозможна. Вместе с тем в этом процессе имеются некоторые общие закономерности, главной из которых является то, что легкие компоненты нефти удаляются из состава нефти раньше, чем тяжелые. Согласно [2] деградированная сырая нефть имеет высокий пик на длине волны 330 нм, также имеются слабые максимумы на длине волны 370–380 нм. При этом нефтяное топливо имеет двойной пик. Однако после деградации флуоресцентные спектры указанных веществ становятся почти одинаковыми.

Анализ флуоресцентных спектров сырой нефти после некоторых деградационных процессов позволяет выявить следующие закономерности:

1) флуоресцентные спектры сырой нефти, оставшейся на поверхности воды и осевшей на дно, после ее деградации в течение года частично взаимно перекрываются в диапазоне 275–350 нм (рис. 1) [2];

2) согласно работе [1] флуоресцентные спектры сырой нефти, подвергшейся деградации в течение 0, 2, 7 и 15 дней, также обладают свойством взаимного перекрытия в диапазоне длин волн 370–400 нм (рис. 2);

3) согласно работе [3] свойством частичного совместного перекрытия также обладают флуоресцентные спектры сырой нефти, разбавленной в разных пропорциях в метилен-хлориде (рис. 3) в диапазоне длин волн 450÷550 нм.

Таким образом, анализ результатов известных экспериментальных исследований позволил выявить общую закономерность флуоресцентных спектров подвергшейся деградации сырой нефти, появляющуюся на различных длинах волн и при различных длительностях процесса деградации.

Image_009.png
Рис. 2. Флуоресцентные спектры сырой нефти, подвергшейся деградации в течение 0; 2; 7 и 15 дней
Fig. 2. The fluorescence spectra of crude degraded oil, which was affected by the degradation during 0; 2; 7 and 15 days


С учетом этого рассмотрим вопрос оптимизации условий проведения измерительного эксперимента в зонах совместного перекрытия кривых флуоресцентного спектра сырой нефти.

Допустим, что взаимное перекрытие флуоресцентных спектров происходит в интервале длин волн min – max. В этом случае условие полного взаимного перекрытия математически формулируется как 

1_1_2.png                             (1) 

где C = const, f(x) – флуоресцентный спектр сырой нефти.

В рамках модельного исследования рассматриваем две модели расчета информативности проводимых серийных измерений в интервале λmin – λmax.

1. Считаем, что количество информации, получаемой в одной серии измерений, может быть вычислено по формуле 

1_1.png                                    (2)

где k1 – коэффициент пропорциональности; Δf – величина кванта.

Как видно из формулы (2), количество измерений в серии в данном случае равно k1х.

2. Считаем, что количество информации, получаемой в одной серии измерений, может быть вычислено по формуле

1_1_1.png                  (3) 

В этом случае количество измерений в серии равно k10 – х), где х0 = const; k2 – коэффициент пропорциональности.

В соответствии с выражениями (2) и (3) целевые функционалы оптимизации, обозначающие суммарное количество информации, получаемой в течение всех серий измерений, определим как

 1_1_3.png                        (4) 

1_1_4.png.                         (5)

 

С учетом выражений (1), (4), (5) составим полные функционалы безусловной вариационной оптимизации. Для первой рассматриваемой модели имеем:

 

1_1_5.png            (6) 

где λ – множитель Лагранжа.

Для второй рассматриваемой модели

 1_1_6.png. (7)

 

Решение оптимизационных задач (6) и (7) в смысле нахождения f(x), приводящих F01 и F02 к их максимальной величине, осуществлено по методу Эйлера.

Для первой модельной задачи получено

 

1_1_7.png                         (8)

 

Для второй модельной задачи

 

1_1_8.png                                   (9)

 

где ,  1_1_9.png  (10)

 

где 1_1_10.png

 

Как видно из выражений (8) и (9), полученных для первой и второй моделей, для спадающей ветви флуоресцентных спектров наиболее подходящей является функция (9), при которой серийный измерительный эксперимент обеспечил бы выдачу максимального количества измерительной информации. Максимальная информативность результатов измерительного эксперимента, в свою очередь, позволит детально изучить специфику флуоресцентного спектра сырой нефти.

Image_010.png 
Рис. 3. Флуоресцентные спектры различных типов сырой нефти (от тяжелой нефти API 18 до легкой нефти API 44), разбавленных в метилен-хлориде
Fig. 3. The fluorescence spectra of different types of crude oil (from heavy oil API 18 to light oil API 44), diluted in methylene chloride

В заключение сформулируем основные выводы проведенного исследования:

1) анализ результатов известных экспериментальных исследований флуоресцентного спектра деградированной сырой нефти показал наличие интервалов длин волн, в которых наблюдается полное взаимное перекрытие спектральных кривых;

2) сформулированы и решены две модельные оптимизационные задачи, что позволило выявить оптимальные условия проведения измерительного эксперимента по изучению флуоресцентного спектра.



← Назад к списку


im - научные статьи.