Осложнения в нефтедобыче
..pdfИзбыточную концентрацию X определяют по формуле
* = (2,5Ca ,.-l,0 4 C soi-)-l<T5, |
(3.17) |
где CCa2+,CS02- — концентрация ионов Са2+ и SO|~ в пластовой воде по данным шестикомпонентного анали за, мг/л.
Ионную силу раствора I рассчитывают как сумму концентра ций ионов с учетом соответствующих коэффициентов пропорцио нальности
(3.18)
Значение константы растворимости может быть записано в виде уравнения регрессии:
К = (2,668928 + 16,30784 / + 0,02900295 t + 0,001478 It - |
|
- 0,0004435 t2 + 2,36546212) 1(K |
(3.19) |
Количество фактически находящегося в растворе сульфата кальция CCaS04 определяют по концентрации того иона (Са2+ или SO4"), которого в растворе меньше.
Если CCaS04 > CQ,SO4>то в°Да пересыщена сульфатом каль ция, и его избыток выпадает в осадок.
Помимо расчетных существуют графоаналитические методы определения насыщенности вод гипсом.
Графоаналитический метод А. И. Чистовского [118]
Суть метода заключается в следующем.
На график, иллюстрирующий растворимость сульфата каль ция в воде (рис. 3.3), наносят точки А и В, соответствующие соста ву исследуемых вод (А — сточная, В — пластовая).
Строят кривую растворимости сульфата кальция в смеси ис следуемых вод (см. рис. 3.3, кривая 4). Для этого расстояние по оси абсцисс между точками анализа двух вод разбивают пропор
ционально разности их минерализации, т. е. строят шкалу мине рализации получаемых смесей.
Затем из точек различной минерализации смесей (10, 20, 30 г/л и т. д.) восстанавливают перпендикулярьгдо пересечения с кривы ми растворимости для тех же значений минерализации, а полу ченные точки соединяют плавной линией. Кривая 4 отражает со держание сульфатов и ионов кальция в смесях при любых значе ниях минерализации вод, т. е. является кривой растворимости
1 |
I I 1___I__ I_____________ I______________ I______________ I |
|||
0 |
10 20 30 40 50 |
100 |
150 |
200 |
Минерализация попутных вод Е, г/л
Рис. 3.3. Прогноз выпадения C aS04 в осадок при заводнении нефтяных месторождений (цифры на кривых — минерализация сточных вод, г/л)
сульфата кальция в смесях вод.
Если смеси вод в пласте дополнительно не обогащаются суль фатами, тонки А и В соединяют прямой, которая показывает со держание сульфатов кальция в смесях, и сравнивают ее взаимное расположение с кривой 4. Если породы продуктивного пласта со держат гицс, то при фильтрации через пласт вода может выщела чивать гицс, насыщаясь сульфатами и изменяя свой состав. По этому вместо точки А на график необходимо нанести точку А', со ответствующую максимальному содержанию сульфатов в смеси вод. Точка А' расположена на пересечении кривой 4 с прямой вы щелачивания гипса (см. рис. 3.3, прямая 1). Линия А'В показывает содержание сульфата кальция в смесях с учетом выщелачивания гипса. Есдп прямая А'В лежит ниже кривой 4, то выпадение гипса, находящегося в растворенном состоянии, невозможно. При рас положении прямой А'В выше кривой 4 вода насыщена сульфатом кальция, который выпадает в осадок.
Приведенный пример показывает, что в попутной воде во всем диапазоне минерализации возможно отложение гипса (зашт рихованная область на рис. 3.3), причем пересыщенность гипсом характерна для попутных вод при минерализации 60-120 г/л.
Данный метод позволяет количественно прогнозировать воз можность выпадения сульфатных осадков.
Недостатком метода А. И. Чистовского являются его трудо емкость и необходимость предварительного построения графиков растворимости сульфатов применительно к конкретным условиям.
Метод Стиффа-Дэвиса [66]
Растворимость сульфата кальция в определенных условиях вычисляют по формуле
So = 5р F, F2 F3, |
(3.20) |
где iSp — растворимость CaS04 в дистиллированной воде при соответствующей температуре (рис. 3.4);
—поправочный коэффициент, учитывающий изменение растворимости в воде сульфата кальция при избытке Са2+ или S04' (рис. 3.5);
Растворимость CaSO, мг-экв/л
Рис. 3.4. Растворимость сульфата кальция в дистиллированной воде в зависимости от температуры [103]
F 1 1,0
Концентрация ионов, мг-экв/л
Рис. 3.5. Изменение коэффициента Fxв зависимо
сти от концентрации ионов Са2+ и S O ^ [103]
Концентрация Mg2+, мг-экв/л
Рис. 3.6. Изменение коэффициента F2 |
Рис. 3.7. Изменение коэффициента F3 в зависи |
|
мости от концентрации ионов Mg2* [103] |
||
в зависимости от концентрации ионов Na+ [103] |
ция в осадок возможно только при составе смеси, когда кривая 1 располагается ниже кривой 2.
Однако результаты прогнозирования, получаемые данным методом, не всегда согласуются с происходящими на практике процессами. Это связано с тем, что в методе не учитывается влия ние pH воды в интервалах менее 6 и более 8 на изменение раство римости CaS04. Не учитывается также влияние на растворимость сульфата кальция ионов бария, стронция, калия и др. Кроме того, возможно увеличение количества сульфат-ионов вследствие вы щелачивания сульфатных пород и за счет других обменных про цессов в пласте. Это приводит к снижению точности прогнозиро вания выпадения сульфата кальция.
Следует отметить, что рассмотренные методы адаптированы к наиболее неблагоприятным обстоятельствам, которые на прак тике могут не проявляться. В частности, при определенных усло виях могут существовать пересыщенные растворы солей. Сульфатредукция способствует уменьшению количества сульфатионов в растворе, что также затрудняет образование сульфатных отложений.
Таким образом, описанные методы дают, по существу, "беспроигрышный" прогноз: если выпадение солей не прогнозирует ся, то оно точно не произойдет; в противном случае выпадение со лей также может не произойти в силу изложенных или аналогич ных им причин.
Все сказанное справедливо и для случая прогнозирования выпадения других сульфатных солей.
3.3.2. Прогнозирование отложения карбоната кальция
Растворимость карбоната кальция в водных средах в значи тельной степени зависит от содержания в них диоксида углерода. Содержание последнего в высокоминерализованных водах труд но определимо. Однако о количественном соотношении между С 02, НСО3 и СОз" можно судить по величине pH раствора.
Прогнозирование возможности отложения карбоната каль ция на внутренней поверхности нефтепромыслового оборудова ния и коммуникаций основано на сравнении фактического значе-
86
ния pH воды с расчетным значением рН^ при насыщении воды карбонатом кальция.
За критерий солеотложения принимают обычно значения ин дексов насыщения JS и стабильности JS,.
Индекс насыщения позволяет качественно оценивать возмож ность выпадения карбоната кальция из воды или растворения этой соли. Значения индекса определяют по формуле
JS = pH -pH ,. |
(3.21) |
При этом, если JS > 0, выпадение карбоната кальция возмож но; если JS < 0, вода способна растворять карбонат кальция (так называемая "агрессивная" вода); если JS = 0, вода находится в со стоянии равновесного насыщения карбонатом кальция.
Считается, что выпадение карбоната кальция из воды воз можно при JS > 0,5-0,7.
Индекс стабильности дает возможность проводить полуколичественную оценку солеотложения и определяется по формуле
JS, = 2рНл - pH. |
(3.22) |
При JS, > 8,7 вода агрессивна; при 8,7 > JS, > 6,9 вода средне агрессивна; при 6,9 > JS, > 6,4 вода стабильна; при 6,4 > JS, > 3,7 из воды выпадает карбонат кальция; при JS, < 3,7 вода пересыще на карбонатом кальция и происходит его отложение.
Различие между индексами насыщения и стабильности иллюст рирует следующий пример. Одна из вод имеет pH = 6,5 и pHs = 6,0, а другая — pH = 9,5 и рН5 = 9,0. Тогда индекс насыщения вод JS = +5, т. е. воды неразличимы. В то же время по индексу ста бильности эти воды различимы (для первой воды JS, = 5,5, для второй — JS, = 8,5). Таким образом, согласно значению индекса стабильности, из первой воды возможно выпадение осадка карбо ната кальция, тогда как во второй СаС03будет растворяться.
Метод Стиффа-Дэвиса [66]
При расчете величины рН5используют формулу |
|
pHs = рСа + рЩ + к0, |
(3.23) |
87
где рСа — отрицательный логарифм концентрации ионов каль ция, мг/л;
рщ — отрицательный логарифм концентрации ионов слабых кислот (щелочность), мг/л;
к0— константа, определяющаяся минерализацией или ион ной силой раствора и являющаяся функцией темпера туры.
Номограмма, используемая для нахождения константы к0, приведена на рис. 3.9.
О |
0,4 |
0,8 |
1,2 |
1,6 |
2,0 |
2,4 |
2,8 |
3,2 |
3,6 |
Ионная сила раствора, моль/л
Рис. 3.9. Зависимость к 0 от ионной силы раствора при разной температуре, °С:
/ — 0; 2 — 10; 5 — 20; 4 — 25; 5 — 30; 6 — 40; 7 — 50; 8 — 60; 9 — 70; 10 — 80; / / — 90
Впластовых водах ионами слабых кислот обычно являются бикарбонат-ионы, поэтому в большинстве случаев рЩ = рНСОэ.
Вряде случаев применение метода Стиффа-Дэвиса приводило
ксущественному расхождению аналитических и промысловых результатов. Так, для 40 % из более 50 добывающих скважин Самотлорского нефтяного месторождения [120] результаты расче та не согласуются с промысловыми данными.
Метод Дебая-Гюккеля [66]
Сущность метода заключается в оценке степени насыщения вод карбонатом кальция по критерию, выражаемому коэффици ентом
с _ ^СаС03
(3.24)
Ь СаС03
где/7РСаСОз — фактическое произведение растворимости карбо ната кальция;
Таблица 3.6
Значения параметров для расчета карбонатного равновесия [98, 102]
|
Константа |
Константа |
Произведение |
|
||
|
диссоциации |
диссоциации |
|
|||
Температура, |
угольной |
угольной |
растворимости |
(LK\IKn) ■ 105 |
||
°С |
кислоты |
кислоты второй |
СаС03 |
|||
|
||||||
|
первой ступ |
ступени |
АгаСОз |
Ю9 |
|
|
|
ени К\ 107 |
К и 10" |
|
|
|
|
0 |
2,66 |
2,37 |
5,50 |
|
6,17 |
|
10 |
3,44 |
3,27 |
4,84 |
|
5,12 |
|
20 |
4,15 |
4,20 |
4,17 |
|
4,12 |
|
30 |
4,71 |
5,15 |
3,51 |
|
3,21 |
|
40 |
5,06 |
6,03 |
2,88 |
|
2,42 |
|
50 |
5,16 |
6,74 |
2,32 |
|
1,78 |
|
60 |
5,02 |
7,25 |
1,82 |
|
1,26 |
|
70 |
4,69 |
7,52 |
1,40 |
|
0,87 |
|
75 |
4,42 |
7,59 |
1,24 |
|
0,72 |
|
Примечание. Давление р (МПа) учитывается через коэффициент (1 + 0,012/?), на который умножают значение (LK\/K\\).
— произведение растворимости карбоната кальция при равновесии карбонатных соединений в систе ме, являющееся постоянным при данных темпера туре и давлении.
Если Sj > 1, возможно выпадение из раствора карбоната кальция; если < 1, раствор ненасыщен карбонатом кальция и его выпадение маловероятно.
Значения /7РСаСОз определяют по коэффициентам активности солеобразующих ионов у и их ионной (молярной) концентрации т в растворе
ПРСаСОз ” YCa2+mCa2+YC03- m C 02 * |
(3.25) |
Значение коэффициента активности зависит от ионной силы раствора I и для конкретного иона в разбавленных растворах оп ределяется по формуле Дебая-Гюккеля [99]. Численные значения константы LCaC0з для различных термодинамических условий приведены в табл. 3.6.
3.4. УДАЛЕНИЕ ОТЛОЖ ЕНИЙ НЕО РГАН И ЧЕСКИ Х СОЛЕЙ
Методы удаления солеотложений подразделяют на механи ческие и химические (рис. 3.10).
Сущность механических методов заключается в проведении очистки скважин путем разбуривания солевых пробок или прора ботки колонны расширителями (или скребками) с последующим шаблонированием. Метод эффективен, если интервал перфора ции не перекрыт отложениями солей. В противном случае необхо димо производить повторную перфорацию колонны. Удаление солеотложений механическими методами является дорогостоя щим мероприятием, в связи с чем в настоящее время наибольшее распространение получили химические методы.
Сущность химических методов удаления солеотложений заключается в обработке скважин реагентами, эффективно растворяющими неорганические соли. Так, для удаления карбо натных солей (например, кальцита) достаточно провести обра-
90