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: Рвь1щ - 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:
H |
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.
![]() |
V* р>Н |
Рис. 131. Зависимость уровней диссоциации угольной кислоты от давления (рН) при температуре 25 °С.