APPLIED RESEARCH

Application of digital twins of oil treatment units to minimize water consumption and industrial effluents under conditions of freshwater scarcity

Authors

  • Sergey S. Kolodeshnikov Moscow Institute of Modern Academic Education, 52 Bolshaya Tulskaya St., Moscow, 115191, Russia

How to cite

GOST Kolodeshnikov S. S. Application of digital twins of oil treatment units to minimize water consumption and industrial effluents under conditions of freshwater scarcity // Academic Research Journal. 2025. Vol. 3. No. 9. P. 181-190. DOI: 10.25726/u6383-6919-2437-f
APA Kolodeshnikov, S. S. (2025). Application of digital twins of oil treatment units to minimize water consumption and industrial effluents under conditions of freshwater scarcity. Academic Research Journal, 3(9), 181-190. https://doi.org/10.25726/u6383-6919-2437-f

Abstract

The study focuses on evaluating the efficiency of digital twins of oil treatment units (OTU) as a tool for reducing water consumption and industrial effluents under freshwater scarcity conditions caused by a high proportion of associated formation water and the resource load of upstream operations. The problem is justified by the scale of the industry's water turnover and the limitations of traditional reactive control, which lead to suboptimal reagent consumption, excessive energy use, and the formation of effluents requiring costly post-treatment for reuse. As a solution, a digital twin is proposed as a dynamic mathematical model integrated with the process control system (PCS) for real-time data flow analysis, predictive forecasting, and issuance of control recommendations on separation modes and reagent dosing. The case study focuses on a typical OTU with a capacity of 4.5 million tons per year in a water-scarce region, featuring a process scheme of preliminary settling, three-phase separators, electro-dehydrators, and a demulsifier dosing unit; retrospective and operational data over 36 months were used. The model relied on an interdisciplinary descriptive core of mass and heat transfer and more than 200 online process parameters, including flow rate, water cut, temperature, pressure, reagent dosage, and quality indicators of separated water. Ensemble gradient boosting algorithms were applied for calibration and adaptation, achieving a root mean square forecast error of no more than 3.5% over the validation period. In industrial trials in “advisor” mode, the digital twin dynamically adjusted temperature and demulsifier dosage, maintaining residual oil content in water below 40 mg/L, which enabled expansion of internal water recirculation. Quantitative improvements achieved include: a 41.72% reduction in freshwater consumption, a 279.64% increase in reused water volume, a 34.22% reduction in effluents, and a decrease in specific water consumption from 0.148 to 0.086 m³/t (−41.89%). Correlation analysis revealed key control levers: water cut (+0.915), temperature (−0.683), demulsifier dosage (−0.541), and a weak effect of pressure (−0.112). The economic and environmental effects were confirmed by significant reductions in costs for water intake, treatment, and disposal, as well as a decrease in indirect CO₂ emissions by 2150.6 tons per year due to energy savings. The conclusions highlight the transition to proactive multi-criteria optimization and the closure of water cycles at the OTU while maintaining product quality and reducing environmental impact. The technology is scalable and promising for integration into a unified digital water circuit of an oil field together with reservoir pressure maintenance and water treatment models.

Keywords

digital twin oil treatment unit water consumption industrial effluents water reuse

References

Антипова С.А., Юдаков В.А. Новые технологические решения в системе подготовки и закачки подтоварной воды // Нефть. Газ. Новации. 2022. № 6 (259). С. 39–46.

Артеменок Н.Д. Очистка подземных вод нефтегазоносных регионов Западной Сибири для целей хозяйственно-питьевого водоснабжения : автореф. дис. ... д-ра техн. наук. Санкт-Петербург, 1992. 40 с.

Бабичев Н.И., Либер Ю.В., Абрамов Г.Ю. Интенсификация работы скважин водоснабжения, газо и нефтедобычи с использованием технических средств скважинной гидротехнологии // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2000. № 5. С. 82-85.

Бойматов И.А., Бойматов А.А., Ринг А.Н. Применение технологии цифрового двойника в системе автоматизации мобильной установки подготовки нефти // Новые технологии - нефтегазовому региону. Материалы Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых: в 2-х томах. Ответственной редактор П. В. Евтин. 2020. С. 234-235.

Бушуев Е.Н., Ларин Б.М., Чебанов С.Н. Технологическое и экологическое совершенствование схем водоподготовительных установок на стадии проектирования // Повышение эффективности работы ТЭС и энергосистем. Труды ИГЭУ. Иваново, 1997. С. 124-127.

Васильев А.Л., Васильев Л.А., Подгорнова О.В., Бокова И.В. Разработка установок водоподготовки для использования при чрезвычайных ситуациях // Великие реки 2004. Материалы Международного научно-промышленного форума. 2004. С. 295-296.

Гилаев Г.Г. Исследование и разработка комплекса технологий изоляции водопритоков при строительстве и эксплуатации скважин : дис. ... канд. техн. наук. Тюмень, 1999. 228 с.

Гинин А.Е. Модернизация системы оборотного водоснабжения нефтехимических предприятий // Химическая техника. 2015. № 7. С. 26.

Денеко Ю., Рядинский В. Простые и эффективные инновации для очистки воды от нефти // Водоочистка. Водоподготовка. Водоснабжение. 2013. № 6 (66). С. 16-18.

Денисламов И.З., Сахаутдинов Р.В., Халимов Ф.Г., Зубаиров С.Г. Совершенствование техники и технологии учета добычи и подготовки нефти и воды на промыслах // Проблемы и методы обеспечения надежности и безопасности систем транспорта нефти, нефтепродуктов и газа. XVI Международная специализированная выставка "Газ. Нефть. Технологии - 2008". Уфа, 2008. С. 83-87.

Жеребцов Е.П., Скворцов А.П., Буторин О.И., Владимиров И.В. Совершенствование технологий нестационарного отбора нефти и закачки воды // Нефтепромысловое дело. 2000. № 11. С. 12-16.

Земченко Г.Н. Экотехнологии станций водоподготовок энергетических установок : автореф. дис. ... канд. техн. наук. Ростов-на-Дону, 1997. 168 с.

Королёв Н.А. Применение цифровых двойников для управления энергоэффективностью по прогнозируемому техническому состоянию автоматизированного электропривода нефтедобывающих предприятий. НИР: грант № СП-2587.2022.1. Совет по грантам Президента Российской Федерации. 2022.

Кудрявцев Л.Н. Способ подготовки нефтепромысловой сточной воды: авторское свидетельство SU 732502 A1. 05.05.1980.

Лаптев А.Б., Голубев А.В., Киреев Д.М. Особенности эксплуатации систем водоподготовки на предприятиях нефтехимии и нефтепереработки // Нефтегазопереработка - 2017. Материалы международной научно-практической конференции. 2017. С. 180-181.

Issue

Section

APPLIED RESEARCH

Metrics

121 views
0 downloads
Want to publish with us?
Submit an article

Machine-readable metadata

Similar Articles

1 2 3 4 5 > >> 

You may also start an advanced similarity search for this article.