Основные причины солеотложений

Определив химическим анализом содержание растворенных веществ в данной воде, всегда можно рассчитать фактическое произведение активностей или концентраций ионов, способных образовывать то или иное вещество по формуле:

ПР(K_xA_y) = (a_K)^x(a_A)^y,

где: а_К и а_А – активности катиона К и аниона А в растворе.

Зная по справочным данным величину произведения растворимости (ПР), можно оценить состояние равновесия между раствором и твердой фазой, т.е. судить о возможности или невозможности выпадения осадков.

Если произведение концентраций ионов (ПКИ) окажется меньше ПР данной соли, то правомерно заключение, что данный раствор недонасыщен и стабилен. Используя величины произведений концентрации и растворимости, условие возможности выпадения соли в осадок (условие перенасыщенного раствора), записывается в виде ПКИ>ПР. Это неравенство смещается в сторону перенасыщения, образования твердых осадков либо за счет увеличения левой части (возрастания фактической концентрации ионов), либо за счет уменьшения правой части (снижения растворимости).

Возрастание фактической концентрации ионов (первое условие образования перенасыщенных растворов) возможно под влиянием нескольких процессов.

Во-первых, концентрация повышается при испарении (вообще при удалении) растворителя – воды.

Во-вторых, она может повыситься при смешении вод разного состава. До смешения каждая из вод была стабильной, однако после смешения могут наступит такие условия, что произведение концентраций некоторых ионов в воде-смеси превысит произведение растворимости соответствующего соединения, и оно начнет выпадать в осадок. Воды, склонные к образованию осадков при смешении, называются «несовместимыми».

В-третьих, обогащение подземных вод некоторыми ионами происходит за счет растворения (выщелачивания) горных пород, а также растворения в воде газов, находившихся ранее в свободном состоянии или растворенных в нефти [2].

Снижение произведения растворимости (второе условие образования перенасыщенных растворов) происходит в результате трех процессов.

Во-первых, на него влияет изменение температуры и давления, происходящее в подземных пластах, скважинах и наземных коммуникациях в процессе разработки залежей нефти, подъема и транспортировки продукции.

Во-вторых, может оказывать влияние дегазация воды, происходящая при изменении термобарических условий.

В-третьих, растворимость данного вещества может снижаться при изменении общей минерализации и содержания в воде ионов, не входящих в состав данного вещества.

Таким образом, основное условие солеотложения – это образование перенасыщенных растворов попутной воды.

Конкретными причинами выпадения солей в осадок служат следующие процессы: 1) испарение, 2) смешение несовместимых вод, 3) растворение горных пород и газов, 4) изменение термобарических условий, 5) дегазация воды, 6) изменение общей минерализации воды.

Все указанные процессы реально происходят в нефтепромысловой практике, оказывая свое влияние на солеотложение. Их появление зависит от начальных геологических условий месторождения и осуществляемой системы разработки и по-разному сказывается на различные соли. Так, осадки сульфатных солей образуются главным образом под влиянием смешения несовместимых вод и растворения гипса из горных пород. Карбонаты выпадают в осадок в основном в результате изменения термобарических условий, дегазации воды, разбавления растворов пресной водой, а также смешения несовместимых вод. Главная причина осаждения хлорида натрия – испарение воды и снижение температуры раствора.

Весьма большую роль в формировании и выпадении неорганических солей в осадок играют процессы смешения несовместимых вод. Каждая из смешивающихся вод имеет свою гамму химических веществ и может быть стабильной в данных термобарических условиях, однако при их смешении смесь часто оказывается перенасыщенной тем или другим веществом, которое начинает выпадать в осадок при неизменных температуре и давлении.

Типичными схемами химических реакций, которые происходят при смешении несовместимых вод и могут приводить к образованию твердых осадков, следующие:

CaCl₂ + Na₂SO₄ = CaSO₄↓ + 2NaCl

CaCl₂ + MgSO₄ = CaSO₄↓ + MgCl₂

SrCl₂ + Na₂SO₄ = SrSO₄↓ + 2NaCl

SrCl₂ + MgSO₄ = SrSO₄↓ + MgCl₂

BaCl₂ + Na₂SO₄ = BaSO₄↓ + 2NaCl

BaCl₂ + MgSO₄ = BaSO₄↓ + MgCl₂

CaCl₂ + 2NaHCO₃ = CaCO₃↓ +2NaCl + CO₂ +H₂O

MgCl₂ + 2NaHCO₃ = MgCO₃↓ +2NaCl + CO₂ +H₂O.

Возникающие в результате указанных реакций плохо растворимы сульфаты кальция (гипс и ангидрит), стронция (целестин), бария (барит), карбонаты кальция (кальцит) и магния далеко не исчерпывают всех осадков, но они преобладают в большинстве случаев.

Второй не менее важной причиной образования нестабильных перенасыщенных растворов и выпадения осадков служит изменение термобарических условий и связанное с ним испарение воды, выделение газов и т.д. В этом случае в воду не вносят никаких дополнительных компонентов, однако в исходном растворе либо увеличивается фактическая концентрация вследствие испарения воды, или снижается произведение растворимости с изменением термобарических условий. Например, при движении воды и нефти в скважине и поверхностных коммуникациях происходит снижение температуры по сравнению с пластовой. Это может явиться причиной выпадения осадков сульфата бария, растворимость которого существенно уменьшается с понижением температуры. Растворимость карбоната кальция существенно зависит от парциального давления двуокиси углерода CO₂. Уменьшение содержания ее в воде вследствие дегазации воды или при снижении давления ниже давления насыщения или вследствие растворения СО₂ в нефти может явиться причиной образования осадка карбоната кальция в подъемных трубах и выкидных линиях скважин. Изменение термобарических условий при подъеме жидкости (и прежде всего снижение температуры) – причина выпадения в осадок хлористого натрия (поваренной соли), двуокиси кремния (кремнезема), металлического свинца и ряда других веществ, встреченных при эксплуатации некоторых нефтяных месторождений.

Наконец, даже простое разбавление некоторых растворов пресной водой может быть причиной выпадения в осадок некоторых солей, в частности карбонатов кальция [1].

Таким образом, для понимания конкретных причин солеотложения и обоснованных прогнозов возможности образования нестабильных растворов, из которых могут выпадать твердые осадки, необходимо знать как химический состав промысловых вод, так и растворимость различных солей в этих водах.

Определение химического состава промысловых вод в лабораториях не встречает затруднений, однако следует помнить, что в большинстве случаев определяют состав исходных вод (закачиваемой и пластовой) и попутной воды, из которой уже выделилось некоторое количество осадка. Фактический состав воды, формирующийся в нефтяном пласте в результате смешивания закачиваемой воды с пластовой и взаимодействия с породами и нефтью, достоверно не известен и может только прогнозироваться с той или иной долей вероятности.

Большие затруднения возникают при определении равновесной концентрации (произведения растворимости) различных веществ в сложных промысловых водах. Растворимость солей зависит от химического состава и рН раствора, температуры, давления, газового состава и многих других факторов. Имеющиеся экспериментальные определения растворимости не охватывают всего диапазона изменений этих условий, присущих промысловым водам.