Лекция №35 Методы борьбы с отложениями солей.

1. Общие сведения

В большинстве нефте- а газодобывающих районах России разработка месторождений сопровождается отложением минеральных солей как в призабойной зоне пласта, так н в подземном и наземном нефтепромысловом оборудовании.

В результате, ухудшаются условия разработки пласта, понижается дебит скважин и увеличивается число ремонтов подземного и наземного оборудования, обусловленных ростом гидравлического сопротивления, ухудше­нием теплообмена, усилением язвенной коррозии.

Отложения солей в нефтепромысловом оборудовании наблюдаются либо в виде мягкой накипи, либо в виде слоистой монолитной структуры. Первый вид отложений встречается редко я представляет собой рыхлую массу, легко удаляемую потоком жидкости. Второй вид отложений встречается гораздо чаше и имеет плотную структуру, обладающую хорошим сцеплением с поверхностью металла, крайне трудно удаляемую механическим путём.

По химическому составу отложения представляют собой смеси неорганических солей, продуктов корро­зии, механических примесей и нефтяных компонентов (в основном АСПО).

Неорганические соли, в основном, представлены хлоридом натрия, карбонатами кальция и магния, а также сульфатами кальция. В гораздо меньших количествах встречаются соли железа, алюминия, бария, стронция, различные силикаты и т.д.

Как правило, в отложениях Преобладает один тип неорганических солей (в основном, карбонатный или сульфатный).

Практически ус^да, основная массовая доля в отложениях принадлежит неорганическим солям.

Структура выпадающих монолитных солевых отложений также различна - от крупных, четко вы­раженных кристаллов до плотных камнеобразвых осадков.

2. Причины образования солевых отложений. а) Смешение химически несовместимых вод.

Различают исходно несовместимые воды и воды, становящиеся несовместимыми при движении но пла­сту (скрытая несовместимость).

Примерами исходно несовместимых вод могут служить воды девона н карбона. Первые, как правило, обогащены ионами железа, вторые - сульфидными ионами. При их смешении в системе ППД, пласта или эксплуа-•щрюнной скважине в результате химической реакции происходит образование осадка сульфида железа:

Fe^+I+S-² =FeSi

Вторым примером исходно несовместимых вод могут служить пресные и сточные (или пластовые) воды.

Если первые содержат существенное количество сульфатных ионов, а вторые относятся к хлоркалыше-вому типу, то при их смешении в системе ППД, пласте или эксплуатационной скважине вполне возможно образо­вание перенасыщенного раствора с выпадением осадка гипса, по уравнению:

Если же первые содержат существенное количество карбонатных ионов, а вторые относятся к сильно минерализованным водам хлоркальциевого типа то при их смешении вполне возможно образование осадка карбо­ната кальция, по уравнению:

Скрытая несовместимость обусловлена изменением химического состава вод при их движении по пласту от нагнетательной к эксплуатационной скважине.

Известно, что начальное обводнение скважины происходит по одному из высоко проницаемых прослоев неоднородного пласта. Вследствни того, что порода ещё обладает остаточной гидрофобностыо, вода её не смачи­вает и выщелачивание ионов из породы пласта не происходит; поэтому, первой прорывается в скважину вода зака­чиваемого состава. Но рано или поздно наступает момент прорыва воды в скважину по новому обводнявшемуся прослою. К этому времени первый прослой уже лишился гидрофобное™ и состав, воды начал меняться всдедствии её контакта с породой. В результате, при закачке одной и той же воды в эксплуатационной скважине могут смеши­ваться уже разные воды, которые уже вполне могут оказаться несовместимыми.

Количество выщелачиваемого минерала зависит не только от его общего содержания, но и от порис­тости, проницаемости, расположения его кристаллов относительной ёмкости, коллектора и ионного состава закачи­ваемой воды.

Способность к выщелачиванию каждого минерала коллектора характеризуется коэффициентом выщела-

чивания— КвЫЩ-

где: Р_вь1щ - количество выщелачиваемого из образца минерала, %;

- общее содержание минерала в образце, %.

После достижения максимального значения К^щ не меняется сколько бы данной воды не прокачали че­рез коллектор.

Длительность процесса выщелачивания можно, оценить по следующей методике:

сначала определяют сколько максимально можно получить воды, насыщенной данным выщелачиваемым

минералом - V в > ^по формуле:

V

!0⁴-С

где:

V j - объбм залежи, м³;

Р - объёмная плотность пород, т/м³;

Р - среднее содержание выщелачиваемого минерала в пласте, %;

С - количество минерала, содержащегося 81м³ насыщенного раствора, т.

Если vb«^ Vj»^TO выщелачивание данного минерала будет нроисходвть в течении всего периода раз­работки.

Аналогичные расчеты могут быть произведены и для других минералов.

Для того, чтобы определить, приведет ли подобное выщелачивание к образованию солевых отложений при смешении различных вод необходимо осуществить следующие расчеты, приведенные нами в качестве приме­ра, для гипса:

Прежде всего, определяет химический состав образовавшейся смеси вод, путем расчета содержания ка-

ждого иона -С' t, по уравнению:

i=n

d = ZCi Di (40) i=l

где:

C| - содержание данного иона в данном типе веды; dj - доля воды данного тина в смеси. Для оценки насыщенности гипсом смеси вод рассчитывают так называемое произведение концентрации:

где:

Cf +2 и Ссг|~2 мольные концентрации соответствующих ионов.

Затем, определяют ионную силу раствора - J1:

=n

И=~- C'i-Zi (42) ² 1=1

где:

ZiJ - заряд данного иона.

После этого необходимо воспользоваться соответствующим графиком из справочной литературы (рис.130).

График характеризует границу между насыщенными (гипсом в данном случае) и ненасыщенными вода­ми.

Если расчетная точка лежит выше кривой то воды насыщены гипсом и образование отложений становит­ся неизбежным.

Рис. 130. Общая форма зависимости произведения концентрации от ионной силы раствора, б) Изменение термобарических условий в процессе добычи и подготовки углеводородного сырья. Рассмотрим данную причину применительно к двум самым распространённым типам солевых от-- карбонатов кальция (или магния) и сульфатов кальция. Как известно, поведение карбонатных ионов в водных растворах характеризуется следующим равнове­сием:

f\ i f*f\ f ». U f*f\ j *. Ъл tr fff^fb ~ j v. ^*ж i^-f^f\ ~* y%J i \jJ^_fд. < > *ЖД%_гЖДЗ^ ^~^ BL_ JT ""* •* Дд <р 'у £f*m ^r \^r\f\

Положение равновесия (т. е. его сдвиг влево или вправо) определяется, в основном, величиной давления (или рН) и может быть проиллюстрировано рис. 131.

Поскольку рН пластовых вод обычно находится в диапазоне 7,5 - 8,5, то из рис.92 легко видеть, что до 90

% угольной кислоты находится »виде ионов НСО*, образуя водорастворимые соли:

При добыче продукции давление резко снижается и бикарбонаты переходят в нерастворимые карбонаты с выделением углекислого газа.

Са(нсОз)г -> СаСОз ^ +COi + > MgCO j4 +С0₂

Данный процесс носит название: нарушение карбонатного равновесия.

Снижение температуры, наоборот, сдвигает равновесие в противоположную сторон>% замедляя об­разование нерастворимых осадков. Однако, влияние температуры не так существенно в данном процессе.

Для сульфатных солей (гипса) влияние температуры аналогично, но гораздо более существенно. Так, при температуре 35 - 60°С гипс выпадает в осадок из насыщенных растворов через 1-3 минуты, а при температуре 5°С только через 12 суток хотя абсолютная растворимость сульфатов (и карбонатов) увеличивается с ростом темпера­туры. Повышение давления также увеличивает растворимость сульфата кальция, хотя, конечно, не так значитель­но, как в случае карбоната.

в) Изменение гидродинамического режима течения продукции

Любое увеличение степени турбулизации пристенного слоя жидкости способствует кристаллизации не­органических солей на металлической поверхности.

Рис. 131. Зависимость уровней диссоциации угольной кислоты от давления (рН) при температуре 25 °С.