Устройство пробоотбора паров углеводородов
Устройство относится к технике газогеохимической съемки индивидуальных углеводородных компонентов в грунте при проведении работ по поиску залежей нефти и газа, в частности к устройствам пробоотбора ароматических углеводородов с последующим хроматографическим или хромато-масс-спектрометрическим анализом углеводородных компонентов в полевых условиях. Устройство включает как минимум один концентратор, содержащий гидрофобный сорбирующий материал, заключенный в защитный трубчатый контейнер, и средство для установки концентратора в грунт и извлечения его из грунта. Средство установки концентратора в грунт выполнено в виде закрытого сверху цилиндра 1 с закрепленными на его внутренней поверхности контейнерами 4. Концентратор выполнен в виде трубки 5, с равномерно нанесенной на ее внутренней поверхности сорбционной полисилоксановой пленкой. Трубка заключена в защитные контейнеры 4, снабженные крышками с полупроницаемой мембраной 6.
Полезная модель относится к технике газогеохимической съемки индивидуальных углеводородных компонентов в грунте при проведении работ по поиску залежей нефти и газа, в частности к устройствам пробоотбора ароматических углеводородов с последующим хроматографическим или хромато-масс-спектрометрическим анализом углеводородных компонентов.
Технологии поверхностной геохимической съемки, основанные на применении пробоотборников - сорбционных концентраторов углеводородных соединений с последующим анализом хромато-масс-спектрометрическими методами получили развитие в 80-х годах двадцатого столетия.
Известно устройство и способ обнаружения и картографирования нефтегазовых залежей, включающие сбор паров углеводородов с использованием пробоотборного концентратора, в котором проволочные ферромагнитные адсорбенты закрепляют на пьедестале, размещают в контейнере, выполненном в виде установленного на пьедестале стакана (патент США №4573354, COLORADO SCHOOL OF MINES, МПК: G01V 9/00, опубл. 04.03.1986). Контейнер устанавливают в скважине или горной выработке на период до 20 дней, анализ сорбированных углеводородных компонентов до C18 осуществляют с использованием модельных суммарных масс-спектрометров. Недостатком данного пробоотборника является значительный период накапливания газов на сорбенте, трудоемкость установки концентратора в скважине, возможное загрязнение адсорбента во время проведения пробоотбора и извлечения из земли. И, главное, возможность частичной десорбции сорбированных газов в полость контейнера при транспортировке его в лабораторию для проведения анализа. В результате снижается точность определения содержания летучих углеводородов в анализируемой пробе.
Известен пробоотборник самоистекающих газов метана и его аналогов из почв и подпочвенных пород, содержащий устанавливаемый в скважине или горной выработке накопитель пробы в виде колонки, заполненной адсорбентом и снабженной, установленными на одном конце крышкой с заборной воронкой, а на другом конце штуцером со смонтированным на нем защитным зонтиком (патент РФ №2055340, Бгатов В.И., Бгатов А.В., Такаев В.М., G01N 1/22, МПК: G01N 1/22, опубл.). Пробоотборник компактен, удобен для использования при транспортировке, однако отбор не только природных газов, но и паров воды, приводит к снижению точности определения
содержания летучих углеводородов в анализируемой пробе. Кроме того, размещение пробоотборника в открытой скважине приводит к разбавлению сорбируемой пробы почвенных газов приземным воздухом.
Компанией Gore
Surveys разработано устройство для отбора почвенных газов, включащее, как минимум один концентратор паров углеводородов, содержащий гидрофобный адсорбент, заключенный в запечатанный с двух сторон защитный трубчатый контейнер, обладающий гидрофобностью и способностью пропускать углеводороды в пределах от С 2 до С20 (патент США №5235863, GORE & ASS (US), МПК: G01V 9/00, опубл. 17.08.1993). Концентраторы защищены герметичной прочной гибкой микропористой трубкой из политетрафторэтилена. В качестве адсорбирующего материала используют сульфат или карбонат кальция, активированный уголь или активированный глинозем, селикагель, молекулярные решетки (патент США №4830643, GORE & ASS (US), МПК: B65D 35/08 16.05.1989). Трубка с концентраторами устанавливается в грунт в отверстие небольшого диаметра на срок около 17 дней, в течение которого в них происходит накопление летучих соединений углеводородов. Для непосредственного измерения количества сорбированных углеводородных паров концентратор переносится в лабораторию, помещается в термодесорбционный аппарат, затем с помощью капиллярной газохроматографической колонки выделяются сорбированные соединения и масс-спекторометрическим методом проводится идентификация и количественная оценка каждого соединения.
Данное устройство пробоотбора обеспечивает возможность концентрирования широкого класса углеводородов, однако длительный процесс геохимической съемки (до 17 суток), необходимость стационарной аналитической аппаратуры не позволяют оперативно принимать решения при проведении поисковых работ. А затраты, связанные с транспортировкой концентратора к месту анализа, возможность только однократного использования гибкой микропористой трубки с адсорбирующей структурой приводят также и к удорожанию поисковых работ.
Как указано в работе Calhoun G.G., Haw Kins J. (BTEX detectors results good in oil identification. - OGJ, Mar. 30, 1998, р.77-80) перспективными прямыми методами поисков залежей нефти являются методы, основанные на определении ароматических углеводородов, таких как бензол, этилбензол, толуол, ксилол (БТЭК-соединений), что согласно Дж. Ханту (Геохимия и геология нефти, м.: Мир, 1982, с.402) обусловлено отсутствием в органическом веществе современных осадков (останков животного и растительного происхождения) ароматических углеводородов, имеющих одно бензольное кольцо и отвечающих формуле С nН2n-6.
Задачей проводимых исследований является создание аппаратуры для получения достоверных результатов анализа на содержание БТЭК-соединений в почвенных газах при проведении газогеохимической съемки.
Технический результат заключается в обеспечении возможности проведения экспресс-анализа ароматических углеводородов (БТЭК-соединений) в полевых условиях.
Технический результат достигается тем, что в устройстве пробоотбора углеводородов для геохимической съемки, включающем как минимум один концентратор паров углеводородов, содержащий гидрофобный сорбирующий материал, заключенный в защитный трубчатый контейнер, проницаемый к сорбируемым углеводородным соединениям, и средство для установки в грунт и извлечения концентратора из грунта, гидрофобный сорбирующий материал равномерно нанесен в виде тонкой пленки из термостойкого материла на внутренней поверхности трубки. Трубка помещена в защитный контейнер жесткой формы, снабженный крышкой с полупроницаемой мембраной, а средство установки концентратора в грунт выполнено в виде закрытого сверху цилиндра с закрепленными на его внутренней поверхности концентраторами.
Дополнительными отличиями является то, что сорбционная пленка имеет толщину 100-200 мкм и выполнена из полисилоксана, а полупроницаемая мембрана выполнена из политетрафторэтилена.
Для осуществления пробоотбора ароматических углеводородов цилиндр с закрепленными концентраторами устанавливают в круглую ямку (глубиной 50-60 см), засыпаемую землей, что обеспечивает отсутствие влияние атмосферного воздуха и разбавления газов в полости отбора, а через открытое дно цилиндра обеспечивается поступление в полость отбора почвенных газов.
Для измерения и анализа ароматических углеводородов используется полевой экспрессный газовый хроматограф «Эхо-В-ФИД», разработанный в Институте нефтегазовой геологии и геофизики СО РАН (Грузнов В.М. Филоненко В.Г. Балдин М.Н. Шишмарев А.Т. Портативные экспрессные газоаналитические приборы для определения следовых количеств веществ - Российский химический журнал. - 2002, т.46. №4, с.100-108).
На фиг.1 изображено устройство пробоотбора в рабочем состоянии.
На фиг.2 - иллюстрация хроматограмм углеводородов, сорбированных с использованием устройства пробоотбора, изображенного на фиг.1.
а) - хроматограмма 1 - фоновое содержание БТЭК в грунте; хроматограмма 2 - аномальное содержание БТЭК в грунте.
б) увеличенное изображение хроматограммы 1.
Как показали исследования, выполнение для сорбции паров углеводородов концентратора в виде трубки с равномерно нанесенной на ее внутренней поверхности тонкой сорбционной пленкой обеспечивает высокую проницаемость концентратора парами ароматических углеводородов и необходимое насыщение концентратора углеводородами в течение времени, составляющем менее 4-х часов.
Размещение концентратора в контейнере, снабженном крышкой с полупроницаемой мембраной обеспечивает защиту исследуемого объема от загрязнений (жидкой грязью) и воды. Исследования показали, что насыщение концентратора бензолом, толуолом, ксилолами в контейнере без крышки и в контейнере, снабженном крышкой с полупроницаемой мембраной, достигает одного уровня, соответствующего 20-100 ppb, за одно и тоже время (порядка 4 часа). Таким образом, показано, что политетрафторэтиленовая полупроницаемая мембрана не вносит искажения в пробоотбор ароматических углеводородов.
Для обеспечения устойчивости сорбционной пленки, как на воздухе, так и при температурах десорбции, выбран термостойкий полимер, в частности полисилоксан. Термическая устойчивость сорбционной пленки, легкость разборки пробоотборника, позволяют использовать концентраторы многократно, очищая их в печке продувкой чистым газом при температуре 250°С.
Устройство пробоотбора (фиг.1) содержит закрытый сверху цилиндр 1, выполненный из металла, стекла или любого прочного и инертного к парам углеводородов материала с кольцом для закрепления веревки 2, на внутренней поверхности цилиндра 1 закреплены подпружиненные П-образные фиксаторы 3 контейнеров 4. В один цилиндр, в случае необходимости, устанавливается до восьми контейнеров, В контейнерах 4 размещают трубчатые концентраторы 5 и завинчивают контейнер крышкой с полупроницаемой политетрафторэтиленовой мембраной 6 с уплотнительным кольцом 7.
С помощью предлагаемого пробоотборника на полевом экспрессном газовом хроматографе «Эхо-В-ФИД» проведены измерения концентраций углеводородов в грунте на эталонном участке Атовского газоконденсатного месторождения. Устройство пробоотбора размещали в ямках как показано на фиг.1. Для этого снимали дерн, сверлили буром ямку глубиной 50-60 см, диаметром 12-13 см. В ямку устанавливали цилиндр 1 с закрепленными контейнерами 4 с концентраторами 5. Придерживая веревку, цилиндр 1 засыпали вынутым из ямки грунтом, закрывали дерном, причем конец веревки оставался на верху. Такой способ установки концентраторов исключает попадание надпочвенного
воздуха во время насыщения концентратора парами углеводородов при проведении пробоотбора.
После окончания пробоотбора (через 4 часа) цилиндр 1 вместе с контейнерами 4 и концентраторами 5 поднимают на поверхность за веревку, привязанную к кольцу 2. Контейнеры 4 извлекают из фиксаторов 3 стакана, на контейнерах политетрафторэтиленовые фильтры меняют на силиконовые вкладыши внутренняя поверхность которых покрыта фторопластом, и герметично закрывают. Законсервированные таким образом концентраторы в контейнерах доставляют к развернутому непосредственно на месте (в полевом лагере) газовому хроматографу «Эхо-В-ФИД», где отобранные углеводороды десорбируются и анализируются.
Для хранения чистых концентраторов 5 в крышку 7 контейнера 4 также устанавливают силиконовые вкладыши.
Представленные на фиг.2 хроматограммы, отобранные на Атовском газоконденсатном месторождении, иллюстрируют работоспособность устройства пробоотбора. Из фиг.2 видно, что концентрации веществ при фоновых содержаниях значительно отличаются от аномальных (в 1000 раз).
1. Устройство пробоотбора углеводородов для геохимической съемки, включающее как минимум один концентратор паров углеводородов, содержащий гидрофобный сорбирующий материал, заключенный в защитный трубчатый контейнер, проницаемый к сорбируемым углеводородным соединениям, и средство для установки в грунт и извлечения концентратора из грунта, отличающееся тем, что гидрофобный сорбирующий материал равномерно нанесен в виде тонкой пленки из термостойкого материла на внутренней поверхности трубки, помещенной в защитный контейнер жесткой формы, снабженный крышкой с полупроницаемой мембраной, а средство установки концентратора в грунт выполнено в виде закрытого сверху цилиндра с закрепленными на его внутренней поверхности концентраторами.
2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что толщина термостойкой сорбционной пленки составляет 100-200 мкм.
3. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что термостойкая сорбционная пленка выполнена из полисилоксана.
