Файл: 112 удк 622. 276. 72 Л. А. Шангараева.pdf

________________________________________________________________________________________________
ISSN 0135-3500. Çàïèñêè Ãîðíîãî èíñòèòóòà. Ò.206
112
УДК 622.276.72
Л.А.ШАНГАРАЕВА, аспирантка, l.shangaraeva@mail.ru
А.В.ПЕТУХОВ, д-р геол.-минерал. наук, профессор, AV_Petukhov@mail.ru
Национальный минерально-сырьевой университет «Горный», Санкт-Петербург
L.A.SHANGARAEVA, post-graduate student, l.shangaraeva @mail.ru
A.V.PETUKHOV, Dr. in geol. & min. sc., professor, AV_Petukhov@mail.ru
National Mineral Resources University (Mining University), Saint Petersburg
УСЛОВИЯ И ОСОБЕННОСТИ ОБРАЗОВАНИЯ ОТЛОЖЕНИЙ
СОЛЕЙ НА ПОЗДНИХ СТАДИЯХ РАЗРАБОТКИ НЕФТЯНЫХ
МЕСТОРОЖДЕНИЙ
Одним из важнейших направлений повышения эффективности добычи нефти явля- ется борьба с отложениями неорганических солей при эксплуатации скважин. Выпадение солей в призабойной зоне пласта и подземном оборудовании добывающих скважин сни- жает их продуктивность, приводит к внеплановым текущим и дорогостоящим капиталь- ным ремонтам скважин. В статье рассмотрены особенности процесса солеотложений в скважинах на поздних стадиях разработки нефтяных месторождений.
Ключевые слова:обводненность, солеотложения, пересыщенный раствор, кристал- лы-зародыши, выпадение осадка.
CONDITIONS AND PECULIARITIES OF SCALE FORMATION
IN THE LATER STAGES OF OIL RESERVOIR DEVELOPMENT
Fight with scale in the well operation is one of the most important ways to increase the ef- ficiency of oil production. Scale formation in the bottom hole reservoir and downhole equip- ment reduce their productivity, leading to the current unplanned and costly workovers. The piper describes the characteristics of the process of scaling in wells in the later stages of the de- velopment of oil fields.
Key words:water cutting, scaling, supersaturated solution, crystals, seeds, precipitation.
В процессе разработки и эксплуатации нефтяных месторождений неизбежно появ- ление пластовой и закачиваемой воды в про- дукции скважин, которое в наибольшей сте- пени проявляется при заводнении залежей на заключительной стадии разработки. Именно в результате обводнения добываемой про- дукции происходит образование солевых осадков. Проблема солеотложения является постоянным спутником процесса добычи нефти как на начальном, так и на завершаю- щем этапе разработки месторождения.
Выпадение солей в призабойной зоне пласта добывающих скважин снижает их продуктивность и дебит. Солеотложение на погружном электродвигателе, рабочих коле- сах УЭЦН, клапанах ШГН приводит к сни- жению наработки на отказ насосного обору- дования, вызывая его преждевременный ре- монт или замену.
Солеобразование при разработке и экс- плуатации залежей нефти достаточно слож- ный и многофакторный процесс, обуслов- ленный как природными, так и техногенны- ми явлениями. Попутно добываемая вода является основным источником солеотложе- ний в нефтедобыче. Это связано с ее перена- сыщением труднорастворимыми солями, что происходит под действием меняющихся ус- ловий добычи – температуры, давления, кон- центрации солеобразующих ионов и других факторов. Вода представляет собой хоро-

_________________________________________________________________________________________________
Ñàíêò-Ïåòåðáóðã. 2013
113
ший растворитель для многих веществ и спо- собна при этом переносить большое количе- ство растворенных минеральных солей [2].
При выпадении солей в осадок важную роль играет вода, поскольку она сама и явля- ется источником разных ионов. Все природ- ные воды содержат растворенные компонен- ты, которые переходят в воду при ее контак- те с различными минералами. Это приводит к образованию сложных растворов, богатых ионами, некоторые из которых находятся в предельном насыщенном состоянии.
Пластовые воды нефтяных месторож- дений насыщаются ионами ввиду химиче- ского взаимодействия с осадочными поро- дами. Вода, находящаяся в карбонатных по- родах или известковистых песчаниках, обычно содержит избыток катионов двухва- лентного кальция (Ca
2+
) и магния (Mg
2+
), являющихся основными составляющими солей. Пластовые воды в терригенных кол- лекторах, представленных песчаником, не- редко содержат катионы бария (Ba
2+
) и стронция (Sr
2+
). Точный ионный состав во- ды имеет сложную зависимость от диагене- тических преобразований минералов и дру- гих процессов, происходящих при движении флюидов в пласте, а также при смешивании вод из разных горизонтов, либо в процессе закачки, либо по заколонному пространству из-за некачественного цементирования.
При смешении несовместимых вод с избыточным содержанием катионов и анио- нов происходит солеобразование. В добы- вающих скважинах это случается в основ- ном в результате эксплуатации нескольких продуктивных пластов одновременно или в скважинах, эксплуатируемых один пласт, но в которых зафиксированы перетоки из выше или нижезалегающих горизонтов. Насыще- ние попутнодобываемых вод ионами раз- личных металлов и кислотными остатками в процессе эксплуатации скважины может происходить по разным причинам.
Исследования показали, что в нагнета- тельные скважины Миннибаевской площади
Ромашкинского месторождения с 1974 по
1994 г. производилась закачка серной ки- слоты для выравнивания профиля приеми- стости и повышения нефтеотдачи пластов.
Это, в свою очередь, привело к значительному увеличению в пластовых водах содержания сульфат-ионов, и как следствие этого – к об- разованию осадков труднорастворимых солей сульфата бария (барита) и сульфата кальция
(гипса, ангидрита). Если сопоставить зоны распространения скважин, осложненных от- ложениями барита и гипса, и зоны закачки серной кислоты, то видно, что эти зоны про- странственно совпадают. Таким образом, за- качка серной кислоты в продуктивные пласты повлияла на процессы отложения солей. Кро- ме того, закачка серной кислоты способство- вала изменению свойств нефти. В процессе реакции H
2
SO
4
с нефтью образуется серно- кислый гудрон, т.е. увеличивается содержа- ние в составе нефти смол и асфальтенов, ко- торые являются природными ПАВ нефтей и также могут влиять на процессы солеотложе- ний в скважинах.
Образование солей начинается в тот момент, когда состояние любого природно- го раствора нарушено путем превышения растворимости одного или более компонен- тов. Растворимость самих минералов имеет сложную зависимость от температуры и давления. Как правило, увеличение темпе- ратуры приводит к увеличению растворимо- сти в воде различных минералов. Большин- ство ионов растворяется при высоких тем- пературах. Уменьшение давления также приводит к уменьшению растворимости. Но не все минералы подчиняются типичной температурной зависимости. Растворимость сульфата бария увеличивается в 2 раза в температурном диапазоне от 25 до 100 °С и во столько же раз уменьшается по мере при- ближения к 200 °C [3].
Низкая растворимость сульфата бария практически во всех растворителях, по сравнению с другими солеобразующими ми- нералами, делает его крайне нежелательным из всех органических и неорганических отло- жений, которые встречаются в процессе экс- плуатации нефтяных скважин при высокой обводненности продукции. Соли бария явля- ются наиболее трудноудаляемыми компонен- тами солевых отложений. Барий часто встре- чается в высокоминерализованных пластовых водах нефтяных месторождений, где концен-

________________________________________________________________________________________________
ISSN 0135-3500. Çàïèñêè Ãîðíîãî èíñòèòóòà. Ò.206
114
трация его нередко достигает 0,15-0,5 г/л.
При наличии даже небольших концентраций сульфат-иона барит (BaSO
4
) может выпа- дать в осадок.
Отмечено, что отложения сульфата ба- рия (барита), отобранные из нефтепромы- слового оборудования и НКТ, обладают по- вышенной радиоактивностью, что обуслов- лено наличием радиоактивных изотопов радия, которые ассоциируются в подземных водах с барием. В осадок выпадает радиоак- тивный радиобарит, что облегчает его обна- ружение как в скважинах, так и в поверхно- стных коммуникациях [3].
Термобарические условия при движе- нии восходящего потока жидкости по ство- лу скважины незначительно влияют на из- менение растворимости барита в воде.
Обмениваясь с породой пласта-коллек- тора и пластовыми жидкостями, закачивае- мая в залежь вода формирует определенный химический состав. При поступлении в сква- жину из неоднородных пропластков воды разного химического состава могут быть химически несовместимыми и при смеше- нии образовывать осадки комплекса солей.
По мере подъема и динамики газожидкост- ной смеси по стволу скважины, разгазиро- вания, термобарических изменений, различ- ных скоростей потока, определяемых деби- том скважин и конструкцией подъемного лифта, из смесей выпадают вторичные осад- ки солей и на устье скважины поступает фильтрат с иным соотношением солеобра- зующих ионов в растворе. Известно, что при определенных поверхностных условиях пе- ресыщенные солями растворы могут долгое время оставаться стабильными, не проявляя склонности к осадкообразованию. Однако при нарушении равновесия солевого раство- ра образуются осадки солей. Этому могут способствовать, например, попадание меха- нических примесей и продуктов коррозии, как центров кристаллизации, различные хи- мические обработки, явление облитерации в системе теплообмена при впутрипромысло- вой подготовке нефти и другие механизмы.
Наряду с условиями, характеризующими свойства солевых растворов, как показывает практика, на отложение солей влияют техно- логические особенности разработки залежей, например, активность системы заводнения с повышенным давлением нагнетания.
Механизм образования отложения со- лей рассматривается как совокупность про- цессов, обусловливающих накопление твер- дой фазы на поверхности оборудования.
Однако в настоящее время нет единого мне- ния относительно закрепления солевых час- тиц на поверхности нефтепромыслового оборудования и теории их кристаллизации в процессе добычи нефти. Результаты совре- менных различных исследований позволяют констатировать, что отложение солей при нефтедобыче есть процесс массовой кри- сталлизации из пересыщенных растворов при сложных гидро- и термодинамических условиях в присутствии нефтяных компо- нентов, газовой фазы и механических при- месей, влияющих на интенсивность накоп- ления, характер и свойства осадков. Из-за сложности механизма процесса массовой кристаллизации можно лишь косвенно на- блюдать за микрокинетикой, когда скорости образования и роста кристаллов определя- ются на основании данных об изменении концентрации растворенного вещества и гранулометрического состава выпадающей твердой фазы.
С точки зрения термодинамики само- произвольное образование частиц твердой фазы в растворе может происходить только в том случае, если в результате уменьшится общая энергия системы. Как известно, про- цессы фазообразования, в том числе и обра- зование осадков в растворах, происходят только в метастабильных системах, состоя- ние которых зачастую довольно существен- но отличается от равновесного.
Характер осадка зависит от соотноше- ния скоростей двух процессов: скорости об- разования зародышей – первичных центров кристаллизации υ
1
, и скорости роста разме- ров зародышей υ
2
. Значения υ
1
и υ
2
опреде- ляются по формуле (Q – P)/P, где Q – кон- центрация растворенного вещества в пере- сыщенном растворе в какой-либо момент времени, P – растворимость этого вещества при достижении состояния равновесия меж- ду твердой фазой и раствором при данной температуре.

_________________________________________________________________________________________________
Ñàíêò-Ïåòåðáóðã. 2013
115
Установлено, что с увеличением отно- сительного пересыщения скорость образо- вания зародышей кристаллов возрастает по экспоненциальному закону, а скорость роста кристаллов – прямо пропорционально. При низком относительном пересыщении пре- имущественно происходит рост кристаллов.
С увеличением пересыщения раствора
(уменьшением растворимости осаждаемого вещества) процесс зародышеобразования практически подавляет процесс роста кри- сталлов, образуется мелкодисперсный оса- док, а в случае осаждения веществ с малым значением произведения растворимости об- разуются аморфные осадки и коллоидные растворы (коллоиды), состоящие из диспер- гированных в растворе твердых частиц оса- ждаемого вещества. Коллоидные частицы несут положительный или отрицательный заряды, наличие которых обусловлено ад- сорбцией катионов или анионов на поверх- ности коллоидных частиц.
Существует ряд способов предупреж- дения и борьбы с отложением неорганиче- ских солей. Технологические, физические, химические и комбинированные способы борьбы с отложением солей в каждом кон- кретном случае используются индивидуаль- но или комплексно. Мероприятия по борьбе с солеотложением при разработке нефтяных месторождений должны быть ориентирова- ны, в первую очередь, на предотвращение отложения солей. В нефтепромысловой практике наиболее распространенно приме- нение ингибиторов солеотложений. Однако у химической защиты есть ряд недостатков.
Во-первых, это сложность при подборе ин- гибитора к конкретному составу пластовой жидкости – состав пластовой жидкости по- стоянно динамически изменяется. Во- вторых, ингибиторы солеотложения пред- ставляют собой кислотные растворы, что способствует развитию коррозионных про- цессов. В-третьих, приходится констатиро- вать отсутствие достоверных методов про- гнозирования длительности действия инги- битора, следствием чего становится не- обходимость в постоянном дозированном присутствии ингибитора в пластовой жидко- сти, а при прекращении подачи ингибитора происходит необратимое отложение солей.
Таким образом, эффективность мер борьбы с отложением солей при добыче нефти зависит от комплексного подхода к решению данной проблемы. Основным на- правлением борьбы с отложениями солей при добыче нефти должно быть их преду- преждение.
ЛИТЕРАТУРА
1. Борьба с солеотложениями – удаление и предот- вращение их образования / М.Крабртри, Д.Эслингер,
Ф.Флетчер, М.Миллер // Нефтегазовое обозрение. 2002.
№ 2. С.52-73.
2. Кащавцев В.Е. Солеобразование при добыче нефти / В.Е.Кащавцев, И.Т.Мищенко М., 2004. 432 с.
3. Осложнения в нефтедобыче / Н.Г.Ибрагимов,
А.Р.Хафизов, В.В.Шайдаков и др. Уфа, 2003. 302 с.
REFERENCES
1. Krabrtri M., Eslinger D., Fletcher F., Miller M.
Fighting scale – removal and preventing // Oilfield Review.
2002. N 2. P.52-73.
2. Katshavcev V.E., Mitshenko I.T. Salt formation dur- ing oil production. Moscow, 2004. 432 p.
3. Ibragimov N.G., Hafizov A.R., Shaidakov V.V. et al.
Complications in oil production. Ufa, 2003. 302 p.