ntvНаучно-технический вестник информационных технологий, механики и оптикиScientific and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics2226-14942500-0373Университет ИТМО10.17586/2226-1494-2025-25-5-825-832ntv-512Research ArticleКОМПЬЮТЕРНЫЕ СИСТЕМЫ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИCOMPUTER SCIENCEКонтроль состава и определение дозировки ингибиторов гидратообразования по их инфракрасным спектрамControl of composition and determination of dosage of hydrate formation inhibitors by their infrared spectrahttps://orcid.org/0009-0006-1359-1235КожевинаЮ. С.KozhevinaIu. S.

Кожевина Юлия Сергеевна — аспирант

sc 57215118092

Санкт-Петербург, 197101

Iuliia S. Kozhevina — PhD Student

sc 57215118092

Saint Petersburg, 197101

leta-x@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0003-4159-133XНосенкоТ. Н.NosenkoT. N.

Носенко Татьяна Николаевна — кандидат технических наук, доцент, доцент

sc 57190940294

Санкт-Петербург, 197101

Tatiana N. Nosenko — PhD, Associate Professor, Associate Professor

sc 57190940294

Saint Petersburg, 197101

tnnosenko@itmo.ruУниверситет ИТМОРоссияITMO UniversityRussian Federation202527102025255825832Copyright © Кожевина Ю.С., Носенко Т.Н., 20252025Кожевина Ю.С., Носенко Т.Н.Kozhevina I.S., Nosenko T.N.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://ntv.elpub.ru/jour/article/view/512Введение

Введение. Исследована возможность повышения точности и оперативности применения инфракрасных спектров термодинамических ингибиторов для контроля их состава и расчета дозировки, необходимой для предотвращения гидратообразования в нефтяной и газовой промышленности. Предложенный метод заключается в определении количества ингибитора для исследуемой системы «газ-вода» и величины снижения температуры начала гидратообразования. Актуальность работы и ее новизна в сравнении с традиционным экспериментальным подходом состоит в появлении возможности качественной и количественной идентификаций до девяти компонентов в составе термодинамического ингибитора, сокращении временных затрат на процессы расчетов.

Метод

Метод. Для решения задачи определения концентрации веществ используется метод инфракрасной спектрометрии с преобразованием Фурье. Инфракрасные спектры растворов измерялись в режиме нарушенного полного внутреннего отражения. Для повышения точности измерений концентрации веществ по инфракрасному спектру в условиях многокомпонентности и схожести компонентов по химическому строению предложено применение регрессионной нейронной сети. В обучающую выборку были включены инфракрасные спектры чистых веществ — каждого отдельного компонента, двух- и трехкомпонентные смесевые водные растворы (вода + спирт + гликоль), а также ряд четырехкомпонентных растворов (гликоли + вода). Полученные данные о составе ингибитора использовались при расчете его дозировки для предотвращения гидратообразования в заданных условиях.

Основные результаты

Основные результаты. Продемонстрирована возможность обученной нейронной сети определять концентрации до девяти схожих по своим свойствам веществ в составе термодинамических ингибиторов гидратообразования: метанол, этанол, пропанол, моноэтиленгликоль, диэтиленгликоль, триэтиленгликоль пропиленгликоль, глицерин. Показано, что применение нейронной сети обеспечивает точность определения концентраций до 2 % об. Апробация предложенного метода обработки результатов контроля состава и определения дозировки термодинамического ингибитора для подавления процесса образования гидратов показала хорошее соответствие результатам традиционно применяемого метода.

Обсуждение

Обсуждение. Предложенный подход позволяет повысить оперативность подбора дозировки ингибиторов. Результаты работы могут найти применение в нефтепромысловой химии для входного контроля и прогнозирования эффективности применения ингибиторов гидратообразования термодинамического типа действия при добыче, подготовке или транспортировке углеводородного сырья.

The possibility of increasing the accuracy and efficiency of using infrared spectra of thermodynamic inhibitors to control their composition and calculate the dosage required for preventing hydrate formation in the oil and gas industry has been studied. The proposed method consists of determining the amount of inhibitor for the studied “gas-water” system and the magnitude of the decrease in the temperature of the onset of hydrate formation. The relevance of the work and its novelty in comparison with the traditional experimental approach consists in the emergence of the possibility of qualitative and quantitative identification of up to nine components in the composition of the thermodynamic inhibitor, reducing the time costs for calculation processes. To solve the problem of determining the concentration of substances, the method of infrared spectrometry with Fourier transformation is used. The infrared spectra of the solutions were measured in the mode of attenuated total internal reflection. To improve the accuracy of measuring the concentration of substances by the infrared spectrum in conditions of multicomponentity and similarity of components by chemical structure, the use of a regression neural network is proposed. The training sample included infrared spectra of pure substances, two-component and three-component mixed aqueous solutions (water + alcohol + glycol), as well as a number of four-component solutions (glycols + water). The obtained data on the composition of the inhibitor were then used to calculate its dosage to prevent hydrate formation under specified conditions. The capability of the trained neural network to determine the concentrations of up to nine substances similar in their properties in the composition of thermodynamic hydrate formation inhibitors has been demonstrated: methanol, ethanol, propanol, monoethylene glycol, diethylene glycol, triethylene glycol, propylene glycol, glycerol. It has been shown that the use of the neural network ensures the accuracy of concentr ation determination up to 2 % vol. Testing of the proposed method for processing the results of composition control and determining the dosage of the thermodynamic inhibitor for suppressing the hydrate formation process has shown good agreement with the results of the traditionally used method. The proposed approach allows increasing the efficiency of inhibitor dosage selection. The results of the work can be used in oilfield chemistry for incoming control and forecasting the efficiency of using thermodynamic type hydrate inhibitors during the extraction, preparation or transportation of hydrocarbon raw materials.

ингибиторы гидратообразованиягазогидратыинфракрасная спектроскопияхемометрические методы анализанейронные сетиhydrate formation inhibitorsgas hydratesFourier-transform infrared spectroscopyprojection on latent structureschemometric methods of analysisneural networksРабота была выполнена при поддержке Центра химической инженерии Университета ИТМО.The study was facilitated through the provision of materials and resources by the Center for Chemical Engineering of the ITMO University.ReferencesИстомин В.А., Якушев B.C., Квон В.Г., Долгаев С.И., Чувилин Е.М. Направления современных исследований газовых гидратов // Газохимия. 2009. № 5. С. 56–63.Istomin V.A., Iakushev B.C., Kvon V.G., Dolgaev S.I., Chuvilin E.M. State-of-the-art research of the gas hydrates. Gazohimiya, 2009, no. 5, pp. 56–63. (in Russian)Макогон Ю.Ф. Природные газовые гидраты: распространение, модели образования, ресурсы // Российский химический журнал. 2003. Т. 47. № 3. С. 70–79.Makogon Iu.F. Natural gas hydrates: distribution, formation models, resources. Rossijskij Himicheskij Zhurnal, 2003, vol. 47, no. 3, pp. 70–79. (in Russian)Соловьёв В.А. Природные газовые гидраты как потенциальное полезное ископаемое // Российкий химический журнал. 2003. Т. 47. № 3. С. 59–69.Solovev V.A. Natural gas hydrates as a potential mineral resource. Rossijskij Himicheskij Zhurnal, 2003, vol. 48, no. 3, pp. 59–69. (in Russian)Makogon Y.F. Natural gas hydrates — A promising source of energy // Journal of Natural Gas Science and Engineering. 2010. V. 2. N 1. P. 49–59. https://doi.org/10.1016/j.jngse.2009.12.004Makogon Y.F. Natural gas hydrates — A promising source of energy. Journal of Natural Gas Science and Engineering, 2010, vol. 2, no. 1, pp. 49–59. https://doi.org/10.1016/j.jngse.2009.12.004Hongsheng D., Wang J., Xie Z., Wang B., Zhang L., Shi Q. Potential applications based on the formation and dissociation of gas hydrates // Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2021. V. 143. P. 110928. https://doi.org/10.1016/j.rser.2021.110928Hongsheng D., Wang J., Xie Z., Wang B., Zhang L., Shi Q. Potential applications based on the formation and dissociation of gas hydrates. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2021, vol. 143, pp. 110928. https://doi.org/10.1016/j.rser.2021.110928Thakre N., Jana A.K. Physical and molecular insights to Clathrate hydrate thermodynamics // Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2021. V. 135. P. 110150. https://doi.org/10.1016/j.rser.2020.110150Thakre N., Jana A.K. Physical and molecular insights to Clathrate hydrate thermodynamics. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2021, vol. 135, pp. 110150. https://doi.org/10.1016/j.rser.2020.110150Sloan E.D., Koh C.A., Sum A. Natural Gas Hydrates in Flow Assurance. Gulf Professional Publishing, 2010. 224 p.Sloan E.D., Koh C.A., Sum A. Natural Gas Hydrates in Flow Assurance. Gulf Professional Publishing, 2010, 224 p.Грицишин Д.Н., Квон В.Г., Истомин В.А., Минигулов Р.М. Технологии предупреждения гидратообразования в промысловых системах: проблемы и перспективы // Газохимия. 2009. № 10. С. 32–40.Gritcishin D.N., Kvon V.G., Istomin V.A., Minigulov R.M. Technologies for preventing hydrate formation in production systems: challenges and prospects. Gazohimiya, 2009, no. 10, pp. 32–40. (in Russian)Келланд М.А. Промысловая химия в нефтегазовой отрасли. СПб.: Профессия, 2015. 607 с.Kelland М.А. Production Chemicals for the Oil and Gas Industry. CRC Press, 2009, 456 p.Ворожцова Ю.С., Носенко Т.Н., Успенская М.В. Определение типа действия ингибиторов гидратообразования по их инфракрасным спектрам // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2023. Т. 23. № 4. С. 669–675. https://doi.org/10.17586/2226-1494-2023-23-4-669-675Vorozhtsova Iu.S., Nosenko T.N., Uspenskaya M.V. Determination of the action type of hydrate formation inhibitors by their infrared spectra. Scientific and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics, 2023, vol. 23, no. 4, pp. 669–675. (in Russian). https://doi.org/10.17586/2226-1494-2023-23-4-669-675Semenov A.P., Medvedev V.I., Gushchin P.A., Vinokurov V.A. Kinetic inhibition of hydrate formation by polymeric reagents: effect of pressure and structure of gas hydrates // Chemistry and Technology of Fuels and Oils. 2016. V. 51. N 6. P. 679–687. https://doi.org/10.1007/s10553-016-0658-5Semenov A.P., Medvedev V.I., Gushchin P.A., Vinokurov V.A. Kinetic inhibition of hydrate formation by polymeric reagents: effect of pressure and structure of gas hydrates. Chemistry and Technology of Fuels and Oils, 2016, vol. 51, no. 6, pp. 679–687. https://doi.org/10.1007/s10553-016-0658-5Gjertsen L.H., Fadnes F.H. Measurements and predictions of hydrate equilibrium conditions // Annals of the New York Academy of Sciences. 2006. V. 912. N 1. P. 722–734. https://doi.org/10.1111/j.1749-6632.2000.tb06828.xGjertsen L.H., Fadnes F.H. Measurements and predictions of hydrate equilibrium conditions. Annals of the New York Academy of Sciences, 2006, vol. 912, no. 1, pp. 722–734. https://doi.org/10.1111/j.1749-6632.2000.tb06828.xTohidi B., Burgass R.W., Danesh A., Ostergaard K.K., Todd A.C. Improving the accuracy of gas hydrates dissociation point measurements // Annals of the New York Academy of Sciences. 2000. V. 912. N 1. P. 924–931. https://doi.org/10.1111/j.1749-6632.2000.tb06846.xTohidi B., Burgass R.W., Danesh A., Ostergaard K.K., Todd A.C. Improving the accuracy of gas hydrates dissociation point measurements. Annals of the New York Academy of Sciences, 2000, vol. 912, no. 1, pp. 924–931. https://doi.org/10.1111/j.1749-6632.2000.tb06846.xZaporozhets E.P., Shostak N.A. Efficiency estimation of the singleand multicomponent anti-hydrate reagents // Journal of Mining Institute. 2019. V. 238. P. 423–429. https://doi.org/10.31897/PMI.2019.4.423Zaporozhets E.P., Shostak N.A. Efficiency estimation of the singleand multicomponent anti-hydrate reagents. Journal of Mining Institute, 2019, vol. 238, pp. 423–429. https://doi.org/10.31897/PMI.2019.4.423Муратова Э.Ж., Крапивин В.Б., Истомин В.А, Федулов Д.М., Квон В.Г., Герасимов Ю.А., Сергеева Д.В., Тройникова А.А., Семенов А.П. Ингибитор гидратообразования на основе смесей моноэтиленгликоля и метанола // Вести газовой науки. 2023. № 4 (56). С. 145–154.Muratova E.Zh., Krapivin V.B., Istomin V.A., Fedulov D.M., Kvon V.G., Gerasimov Iu.A., Sergeeva D.V., Troinikova A.A., Semenov A.P. Hydrate inhibitor based on mixtures of monoethylene glycol and methanol. Vesti Gazovoj Nauki, 2023, no. 4 (56). pp. 145–154. (in Russian)Гусаков В.Н., Катермин А.В., Михайлова Л.Р., Горбунов В.В., Невядовский Е.Ю. Разработка методологии оперативного контроля качества нефтепромысловых химических реагентов // Нефтегазовое дело. 2021. Т. 19. № 4. С. 81–89. https://doi.org/10.17122/ngdelo-2021-4-81-89Gusakov V.N., Katermin A.V., Mikhailova L.R., Gorbunov V.V., Neviadovskii E.Iu. Methodology for quality control and application of oilfield chemicals. Petroleum Engineering, 2021, vol. 19, no. 4, pp. 81–89. (in Russian). https://doi.org/10.17122/ngdelo-2021-4-81-89Ракитин А.Р., Боженкова Г.С., Киселев С.А. Стеванович Е., Кильмаматов А.А. Инфракрасная спектроскопия для контроля качества ингибиторов коррозии // Нефтепромысловое дело. 2022. № 11 (647). С. 69–76. https://doi.org/10.33285/0207-2351-2022-11(647)-69-76Rakitin A.R., Bozhenkova G.S., Kiselev S.A. Stevanovich E., Kilmamatov A.A. Infrared spectroscopy for quality control of corrosion inhibitors. Oilfield Engineering, 2022, no. 11 (647), pp. 69–76. (in Russian). https://doi.org/10.33285/0207-2351-2022-11(647)-69-76Суховерхов С.В., Задорожный П.А., Полякова Н.В. Применение инструментальных методов для анализа объектов нефтепромысловой химии // Вестник Дальневосточного отделения Российской академии наук. 2021. № 5 (219). С. 134–143. https://doi.org/10.37102/0869-7698_2021_219_05_11Sukhoverkhov S.V., Zadorozhnyi P.A., Poliakova N.V. Application of instrumental methods for oilfield chemistry objects analysis. Vestnik of the Far East Branch of the Russian Academy of Sciences, 2021, no. 5 (219), pp. 134–143. (in Russian). https://doi.org/10.37102/0869-7698_2021_219_05_11Саранцева В.Д., Бадамшин А.Г., Каштанова Л.Е. Оценка возможности применения методов тонкослойной хроматографии и ИКспектроскопии в лабораторных исследованиях по подбору химических реагентов // Практические аспекты нефтепромысловой химии. 2023. С. 146–147.Sarantceva V.D., Badamshin A.G., Kashtanova L.E. Evaluation of the possibility of using thin-layer chromatography and IR spectroscopy methods in laboratory studies concerning the selection of chemical reagents. Proc. of the Practical Aspects of Oilfield Chemistry, 2023, pp. 146–147. (in Russian)Ишмияров Э.Р., Прокудина В.Д. Формирование инструментального лабораторного подхода по контролю качества нефтепромысловых химических реагентов // Экспозиция Нефть Газ. 2024. № 8 (109). С. 134–143. https://doi.org/10.24412/2076-6785-2024-8134-143Ishmiiarov E.R., Prokudina V.D. Ormation of an instrumental laboratory approach to quality control of oilfield chemical reagents. Exposition Oil Gas, 2024, no. 8 (109), pp. 134–143. (in Russian). https://doi.org/10.24412/2076-6785-2024-8-134-143Кожевина Ю.С., Носенко Т.Н., Успенская М.В. Оценка количественного состава ингибиторов гидратообразования по их инфракрасным спектрам // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2024. Т. 24. № 3. С. 366–374. https://doi.org/10.17586/2226-1494-2024-24-3-366-374Kozhevina Iu.S., Nosenko T.N., Uspenskaya M.V. Assessment of the quantitative composition of hydrate formation inhibitors by their infrared spectra. Scientific and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics, 2024, vol. 24, no. 3, pp. 366–374. (in Russian). https://doi.org/10.17586/2226-1494-2024-24-3-366-374Лаптинский К.А., Буриков С.А., Сарманова О.Э., Вервальд А.М., Утегенова Л.С., Пластинин И.В., Доленко Т.А. Диагностика вредных примесей в водных средах с помощью спектроскопических методов и алгоритмов машинного обучения // Оптика и спектроскопия. 2023. Т. 131 № 6. С. 810–816. https://doi.org/10.21883/OS.2023.06.55915.106-23Laptinskiy K. A., Burikov S.A., Sarmanova O.E., Vervald A.M., Utegenova L.S., Plastinin I.V., Dolenko T. A. Diagnostics of harmful impurities in aqueous media using spectroscopic methods and machine learning algorithms. Optics and Spectroscopy, 2023, vol. 131, no. 6, pp. 765–771. https://doi.org/10.61011/EOS.2023.06.56664.106-23Запорожец Е.П., Шостак Н.А. Расчет эффективности одно- и многокомпонентных антигидратных реагентов, Записки Горного института. 2019. Т. 238. С. 423–429. https://doi.org/10.31897/PMI.2019.4.423Shostak N.A., Zaporozhets E.P. Efficiency estimation of the singleand multicomponent anti-hydrate reagents. Journal of Mining Institute, 2019, vol. 238, pp. 423-429. (in Russian). https://doi.org/10.31897/PMI.2019.4.423Kunakova A.M., Usmanova F.G., Vorozhtsova I.S., Lanchuk I.V. Approaches to the selection of effective inhibitors of gas hydrate formation // Proc. of the SPE Russian Petroleum Technology Conference. 2019. P. 1–23. https://doi.org/10.2118/196781-MSKunakova A.M., Usmanova F.G., Vorozhtsova I.S., Lanchuk I.V. Approaches to the selection of effective inhibitors of gas hydrate formation. Proc. of the SPE Russian Petroleum Technology Conference. 2019. pp. 1–23. https://doi.org/10.2118/196781-MSКунакова А.М., Усманова Ф.Г., Ворожцова Ю.С., Гоголева А.Д. Оценка эффективности ингибиторов гидратообразования изотермическим методом // PROнефть. Профессионально о нефти. 2019. № 1 (11). С. 18–21. https://doi.org/10.24887/2587-7399-2019-1-18-21Kunakova A.M., Usmanova F.G., Vorozhtcova Iu.S., Gogoleva A.D. Evaluation of the effectiveness of hydrate-formation inhibitors by the isothermal method. PROneft. Professionals about Oil, 2019, no. 1 (11), pp. 18–21. (in Russian). https://doi.org/10.24887/2587-7399-2019-1-18-21

The authors declare that there are no conflicts of interest present.