سیالات حفاری

معماری فرهنگ قوم لر حفاری وسیالات حفاری تمدن لرستان

 
آلودگی به کربنات/ بی کربنات
نویسنده : رضا سپهوند - ساعت ٢:٥٥ ‎ب.ظ روز ۱۳٩٤/٥/٥
 

آلودگی به کربنات/ بی کربنات:

هنگامی که یک سیال پایه آبی با کربنات ها آلوده می شود، مشکلات خواص حرکتی و کنترل عصاره را در پی دارد.کربنات ها میتوانند در یکی از سه حالاتی که به pH سیالوابسته اند موجود باشند.

کربنیک اسید: H2CO3، بی کربنات: HCO3¯ و کربنات: ¯¯CO3

شکل 2-8 نقاط تعادل این حالات در سطوح مختلف pH نشان می دهد.

کربناتها می توانند از منابع گوناگون ناشی شوند.

-                                             استفاده بیش از حد از سودا اش و سدیم بی کربنات برای از بین بردن کلسیم یا آلودگی سیمان.

-                                             تجزیه دی اکسید کربن ناشی از گاز سازند، تجهیزات مخلوط کردن سیال، به درون کشیدن پمپهای سیال و غیره...

-                                             افت دمایی ترکیبات بنیانی مانند لیگنوسولفات ها، ذغال سنگها و غیره... در دمای بالا تر از 300 درجه فارنهایت.

-                                             باریت آلوده.

شکل 2 - 8: انواع گوناگون محلول در سیستم کربنات به عنوان تابعی از pH، محاسبات برای K1=3.5× 10-7 و K2=6.0 ×10-11 انجام شده

 

اندازه گیری کربناتها

اتحادیه نفت آمریکا[1] سه روش استاندارد برای اندازه گیری کربناتها در سیال حفاری دارد. روشی که پیشنهاد میشود روش «سلسله گازهای گرت»[2] (GGT) است. GGTتنها روشی است که مستقیماً کربناتها را اندازه میگیرد.در تمام روشهای دیگر، داده های خصلت قلیایی برای پی بردن به غلظت کربناتها و بی کربناتها در سیال استفاده می شود.

دو روش دیگر تیتراسیون P1/P2 و محاسبه کربنات Pf/Mf هستند.روش Pf/Mfروشی سنتی است. روش P1/P2برای رفع محدودیت‌ های روش Pf/Mfکهتمایل به زیاد تخمین زدن غلظت بی کربنات دارد، به ویژه در سیستمهاییکه دارای بافر قوی هستند،اصلاح شده است.

در تیتراسیون P1/P2برای ته نشین کردن باریم کربنات از باریم کلراید استفاده می شود. هم به دلیل اینکه باریم کلراید سمی است و همبه علتاینکه تیتراسیون ها خیلی حساس‌ هستند، می بایست هنگام استفاده از این روش احتیاط نمود.

جدول 2 30 مزیت‌هایدوروشرامقایسه‌میکند. محاسباتی با استفاده مقادیر Pf/Mf برای تعیین غلظتهای کربنات و بی کربنات در جدول 2 31 آمده است.

جدول 2 30:مقایسهروش ها

روش

مزایا

معایب

Pf / Mf

روش سنتی، فقط 2 تیتراسیون بر روی یک نمونه

دخالت تیتراسیون برای Mf، معمولاً  نتایج بی کربنات بالا را ارائه می دهد

P1 / P2

حذف دخالت تیتراسیون برای Mf

نیاز به 3 تیتراسیون بر روی 3 نمونه، حیاتى بودن سنجش کاستیک برای صحت آزمایش، استفاده از یک ماده سمی

جدول 2 31: غلظت های یون تعیین کننده خصلت قلیایی  Pf/Mf

مقادیر Pf / Mf

[OH¯]

[CO3-2]

[HCO3¯]

Pf = 0

0

0

1220 Mf

2Pf< Mf

0

1200 Pf

1220 ( Mf – 2 Pf )

2Pf = Mf

0

1200 Pf

0

2Pf> Mf

340 ( 2 Pf – Mf )

1200 (Mf - Pf)

0

Pf = Mf

340 Mf

0

0

 

تعیین خصلت قلیایی سیال، عصاره و مقدار آهک

 

وسایل مورد نیاز

1-                                         محلول اسید استاندارد شده 0.02 نرمال (N/50): سولفوریک یا نیتریک اسید.

iنکته: برای تعیین خصلت قلیایی سیال می توان از محلول اسید استاندارد شده 0.1 نرمال (N/10) نیز استفاده کرد. اگر از اسید 0.1 نرمال (N/10) استفاده شود مقدار میلی لیتر اسید را در 5 ضرب کنید.

2-                                         محلول شناساگر فنول فتالین: 1 گرم بر 100 میلی لیتر الکل 50 درصد.

3-                                         محلول شناساگر متیل اورنج[3]: 1 گرم بر 100 میلی لیتر آب

4-                                         بشر یا ظرف 100 تا 150 میلی لیتری برای تیتراسیون (ترجیحاً سفید)

5-                                         پیپت مدرج: یک عدد 1 میلی لیتری و یک عدد 10 میلی لیتری.

6-                                         سرنگ یا پیپت 1 میلی لیتری

7-                                         همزن

8-                                         پی اچ متر با الکترود شیشه ای (اختیاری)

دستورالعمل

خصلت قلیایی عصاره (Pf)

1-                                         مقدار یک یا چند میلی لیتر از عصاره را درون ظرف یا بشر تیتراسون بریزید. دو تا سه قطره محلول شناساگر فنول فتالین به آن بیفزایید. اگر شناساگر به رنگ صورتی درآمد، در حین همزدن، با استفاده از پیپت قطره قطره اسید 0.02 نرمال (N/50) اضافه کنید تا اینکه رنگ صورتی از بین برود. اگر نمونه ای شدیداً رنگی شده بطوری که تغییر رنگ شناساگر مشخص نباشد، زمانی به نقطه پایانی می رسید که پی اچ اندازه گیری شده با الکترود شیشه ای تا 8.3 پایین آید.

2-                                         مقدار میلی لیتر اسید 0.02 نرمال (N/50) مصرف شده بر مقدار میلی لیتر عصاره را به عنوان Pf گزارش دهید.

3-                                         به نمونه ای که برای تیتر کردن Pf به نقطه پایانی رسیده، 2 یا 3 محلول شناساگر متیل اورنج اضافه کنید. حین همزدن، با استفاده از پیپت قطره قطره اسید اضافه کنید تا اینکه رنگ شناساگر از زرد به صورتی تغییر کند. اگر نمونه ای شدیداً رنگی شده بطوری که تغییر رنگ آشکار نباشد، زمانی به نقطه پایانی می رسید که پی اچ اندازه گیری شده با الکترود شیشه ای تا 4.3 پایین آید.

4-                                         کل اسید 0.02 نرمال بکار رفته بر حسب میلی لیتر بر مقدار میلی لیتر عصاره تا رسیدن به نقطه پایانی متیل اورنج را به عنوان Mf گزارش دهید. (شامل اسید مصرف شده تا رسیدن به نفطه پایانی آزمایش Pf نیز میشود)

خصلت قلیایی سیال (Pm)

1-                                          مقدار یک میلی لیتر از سیال را درون ظرف یا بشر تیتراسون بریزید. نمونه را با 25 تا 50 میلی لیتر آب مقطر رقیق کنید. در حین هم زدن مقدار 4 یا 5 قطره محلول شناساگر فنول فتالین به آن اضافه کنید. با سرعت با اسید 0.02 نرمال یا 0.1 نرمال آن را تیتر کنید تا رنگ صورتی از بین رود. اگر رنگ نمونه مشخص نیست، زمانی به نقطه پایانی می رسید که پی اچ اندازه گیری شده با الکترود شیشه ای تا 8.3 پایین آید.

2-                                          مقدار میلی لیتر اسید 0.02 نرمال (N/50) مصرف شده بر مقدار میلی لیتر سیال را به عنوان Pm گزارش دهید، یا ...

 

مقدار آهک

1-                                         مقدار خصلت قلیایی فنول فتالینی سیال و عصاره را بدست آورید. (Pm و Pf)

2-                                         با استفاده از ریتورت کیت مقدار درصد آب سیال (Fw) را بدست آورید.

                                                                          (1 – 5)

3-                                         مقدار آهک سیال را بر اساس فرمول های زیر گزارش دهید.

 

(lb/bbl) = 0.26 (Pm – Fw × Pf) آهک                                                         (1 - 5a)

(kg/m3) = 0.742 (Pm – Fw × Pf) آهک                                                      (1 - 5b)

روش خصوصیات قلیایی P1 / P2

تجهیزات

محلول اسید هیدروکلریک (HCl) 0.02 نرمال.

محلول هیدروکسید سدیم (NaOH) 0.01 نرمال.

محلول باریم کلراید 10% خنثی شده تا پی اچ7 با هیدروکسید سدیم (NaOH).

محلول شناساگر فنول فتالین.

آب زدوده شده از هرگونه یون(یا آب مقطر).

کاغذ نشان دهنده پی اچ رنگ بندی شده برای محدوده 6 تا 12 یا پی اچ متر.

بشر 100 تا 150 میلی لیتری برای تیتراسیون.

پیپت 1 و 2 میلی لیتری.

بورت 25 میلی لیتری.

استوانه مدرج 25 و 5 میلی لیتری.

دستور العمل

1-                                         مقدار Pf را همان گونه که قبلاً شرح داده شد اندازه بگیرید.

2-                                         با استفاده از یک پی پت، 1 میلی لیتر از عصاره را درون بشر تیتراسیون بریزید و 25 میلی لیتر آب مقطر اضافه کنید.

3-                                         با استفاده از یک پی پت، 2 میلی لیتر از هیدروکسید سدیم 0.1 نرمال را به آن اضافه کنید و خوب تکان دهید. پی اچ را اندازه بگیرید. اگر پی اچ از 11.4 بیشتر بود، به مرحله 5 رجوع کنید.

4-                                         اگر پی اچ از 11.4 کمتر بود، باز هم 2 میلی لیتر از هیدروکسید سدیم به به آن اضافه کنید.

iنکته: برای جلو گیری از خطا، نیازاست کهدر اندازه گیری کاستیک دقت شود.

5-                                         با استفاده از استوانه مدرج کوچکتر، 3 میلی لیتر باریم کلراید به آن بیفزایید. ضمن تکان دادن 2 تا 4 قطره از شناساگر فنول فتالین به آن اضافه کنید.

6-                                         بدون اطلاف وقت،ترکیب را با اسید هیدروکلریک تیتر کنید، تا هنگامی که رنگ صورتی از بین برود یا با پی اچ متر پی اچ به 8.3 برسد. اگر در زمان کوتاهی دوباره رنگ برگشت، به تیتراسیون ادامه ندهید.

7-                                         میزان اسید مصرف شده برای رسیدن به نقطه پایانی را بر حسب میلی لیتر به عنوان خصلت قلیایی P1 ثبت کنید.

8-                                         خصلت قلیاییخالی[4]، P2، را بوسیله تکرار مراحل بالا و دقیقاً با استفاده از همان مقادیر آب و شناساگر،اما با خارج کردن عصاره،تعیین کنید.

9-                                         میزان اسید استفاده شده برای تیتراسیون بر حسب میلی لیتر را به عنوان خصلت قلیایی P2 (خالی) ثبت کنید.

10-                                      با استفاده از جدول 2 32 غلظت یون های هیدروکسید، کربنات و بی کربنات را در محلول تعیین کنید.

جدول 2 32: غلظت یون های تیتراسیون P1 / P2

مقادیر Pf / Mf

[OH¯]

[CO3-2]

[HCO3¯]

P1> P2

340 (P1 – P2)

1200 [Pf – (P1 – P2)]

0

P1< P2

0

1200 Pf

1220 (P2 – P1)

 

روش فرعی برای تخمین CO3 / HCO3

یک الگوى ریاضی برای تعیین غلظت کربنات/بی کربنات با استفاده از رابطه pH و Pf توسعه داده شده است. این روشی با استفاده آسان است که به کمترین زمان و تجهیزات نیاز دارد، اما توسط اتحادیه نفت آمریکا مورد قبول واقع نشده است. این روش می تواند در مقدار پی اچ های زیر 10.0 نتایجی غیر واقعی بدهد که می بایست محتاتانه استفاده شود. این روش به قرار زیر است.

1-                                         پی اچ را اندازه گیری کنید پی اچ عصاره باید با پی اچ متر با دقت 0.1 ± تعیین شود. در صورتی که حجم عصاره ناچیز است می توان از پی اچ سیال استفاده کرد.

2-                                         Pf را اندازه گیری کنید خصلت قلیایی عصاره. با استفاده از معادلات زیر کربنات ها محاسبه می شوند.

سیالات با پی اچ بالا

غلظت «هایدروکسیل»[5] بر حسب میلی گرم بر لیتر (OH)                                              (1 2)

غلظت کربنات بر حسب میلی گرم بر لیتر (CO3)                                            (2 - 2)

غلظت بی کربنات بر حسب میلی گرم بر لیتر (HCO3)                            (3 2)

مثال

pH = 12.6

Pf= 5.3 (Cm3)

OH = 677 (mg/L)

CO3 = 3971 (mg/L)

HCO3 = 5 (mg/L)

سیالات با پی اچ پایین

هنگامی که پی اچ از 9.5 پایین تر باشد اندازه گیری دقیق Pf دشوار است. بنابر این، در این حالت، این روش باید اصلاح شود. این دستورالعمل به شرح زیر است.

1-                                         بوسیله محلول کاستیک سودا (NaOH) پی اچ عصاره را تا 11.5 افزایش دهید.

2-                                         آن را تیتر کنید و مقدار Pf را در پی اچ 11.5 بدست آورید.

3-                                         مقدار Pf بدست آمده برای پی اچ 11.5 را در 1200 ضرب کنید تا مقدار کل کربناتها را در پی اچ 11.5 بر حسب میلی گرم بر لیتر بدست آورید.

4-                                         با استفاده از فرمول های زیر کربنات ها و بی کربنات ها را برای پی اچ اصلی حساب کنید،

(mg/L) بی کربنات                                                                  (4 2)

(mg/L)کربنات ها                                                        (5 2)

که؛

Y= کل کربناتها را در پی اچ 11.5 و ...

pH= پی اچ اصلی عصاره می باشد.

درمان کربناتها

محدوده متداول کربناتها در بیشتر سیالات از 1200 تا 2400 میلی گرم بر لیتر است. برخی سیالات می توانند دو برابر این مقدار را تحمل کنند یا با 1200 میلی گرم بر لیتر به شدت تحت تأثیر قرار گیرند. غلظت قابل قبول کربناتها در سیال حفاری همیشه به غلظت ذرات جامد، دما و غلظت مواد بکار رفته در گل بستگی خواهد داشت. اگر مشخص شده باشد که مشکلات خواص حرکتی و کنترل عصاره به علت کربناتها بوجود آمده اند، روش درمان شامل اضافه کردن یون مثبت کلسیم برای ته نشین شدن به شکل کربنات کلسیم خواهد بود. کلسیم به شکل گچ[6] یا آهک اضافه می شود. اگر گچ استفاده شود، می بایست کاستیک سودا یا آهک اضافه شود تا بی کربناتها به کربنات تبدیل شوند در غیر این صورت واکنش‌ با کلسیم رخ نخواهد داد. اگر آهک استفاده شود، پی اچ بالا خواهد رفت. ممکن است لازم باشد که گچ یا لینگوسولفونات[7] اضافه شود تا از افزایش پی اچ جلوگیری شود. از افزودن لیگنیت[8] به علت اینکه با گچ و آهک واکنش میدهد و مانع واکنش شیمیایی می شود، اجتناب کنید. همچنین توصیه میشود که همه کربناتها توسط درمان از بین نروند. بایداجازه داده شود تا حداقل از 1000 تا 1200 میلی گرم بر لیتر در سیستم باقی بماند. واکنشهای شیمیایی و غلظتهای درمان در زیر آمده اند.

واکنشهای شیمیایی

آهک، Ca(OH)2

CO3= + HCO3¯ + 2Ca++ + 4OH¯® 2CaCO3¯ + H2O + 3OH¯

گچ + آهک، یا، گچ + کاستیک سودا

CO3= + HCO3– + 2Ca++ + OH¯® 2CaCO3¯ + H2O

مقادیر واکنش

آهک

هر 0.00043 پوند آهک 1.0 میلی گرم بر لیتر کربنات (¯¯CO3) را درمان می کند.

هر 0.00021 پوند آهک 1.0 میلی گرم بر لیتر بی کربنات (¯HCO3) را درمان می کند.

گچ

هر 0.001 پوند گچ 1.0 میلی گرم بر لیتر کربنات (¯¯CO3) را درمان می کند. کاستیک سودا نیز اضافه شود.

هر 0.00023 پوند گچ 1.0 میلی گرم بر لیتر بی کربنات (¯HCO3) را درمان می کند.

 

 

توضیحات بیشتر

در تصمیم گیریوجود مشکل کربناتی،باید توجه داشت که حضور کلسیم در عصاره مشکل کربنات را رفع نمیکند. کلسیم یافت شده در تیتراسیون سختی ممکن است در واکنش با کربناتها قابلاستفاده‌نباشد. اغلب واکنشی از ترکیبات حلقوی، سرعت واکنش را می کاهد و تغییر مکانها در موازنه ها مانع واکنش دادن کلسیم اندازه گیری شده با کربناتها خواهد شد. در آزمایش سختی، دست کم باید 100 تا 200 میلی گرم بر لیتر کلسیم قابل اندازه گیری باشد تا اطمینان حاصل شود که مقداری کلسیم آزاد برای واکنشبا کربناتها حضور دارد. خصلت قلیایی معمولاً برای حضور کربنات، بی کربنات و هایدروکسیل های تفسیر شده است، اما مواد قلیایی دیگری هم در خصلت قلیایی سیال حفاری شرکت دارند. این دخالت و محدودیت های نحوه عملکرد با آزمایش تیتراسیون خصلت قلیایی،تخمین های ساده برای تجزیه و تحلیلکربنات می سازد. برای این استدلال، «سلسله گازهای گرت» صحت و دقت بیشتری دارد. صرفنظر از اینکه کدام روش استفاده شده، پیشنهاد میشود که قبل از درمان سیال سیستم برایکربنات ها، تست راهنما کاملی انجام گیرد



[1]- API

[2]- Garrett Gas Train (GGT) Method

[3]- MethylOrange Indicator

[4]-The Blank Alkalinity, P2

[5]- Hydroxyl

[6]-Gypsum

[7]-Lingosulfonate

[8]- Lignite