Принадлежность пластовых вод к тому или иному типу устанавливают лабораторным анализом соотношения количеств отдельных ионов.
Для оценки химического состава пластовых вод обязательно определяют шесть ионов: Cl-, SO42, HCO3-, Ca2+, Mg2+, Na+, а также плотность и водородный показатель воды (pH). Такой анализ называется стандартным или шестикомпонентным. Иногда дополнительно в пластовых водах определяются содержание следующих ионов: I-, Br-, NH4+, CO32+, Fe2+, H2S.
Пластовые воды, добываемые вместе с нефтью и содержащие бром (Br) и иод (I), часто перерабатывают на специальных заводах для получения этих продуктов в чистом виде.
Кроме указанных характеристик пластовых вод важными показателями являются также степень минерализации и содержание растворенных газов.
Под минерализацией пластовых вод понимается суммарное содержание в воде растворенных неорганических солей.
Согласно акад. В.И. Вернадскому, все пластовые воды (и поверхностные в том числе) по величине минерализации разделяются на четыре класса: 1) пресные с минерализацией до 1 г/л; 2) солоноватые (слабоминерализованные) – от 1 до 10 г/л; 3) солевые (минерализованные) – от 10 до 50 г/л и 4) рассолы, минерализация которых выше 50 г/л.
Для различных месторождений минерализация пластовых вод изменяется в пределах от 15 до 3000 г/л. Минерализация пластовых вод, как правило, растет с глубиной залегания продуктивных горизонтов, из которых извлекается нефть.
С повышением минерализации воды увеличивается ее плотность, которая может достигать в отдельных случаях 1,5 г/см3.
Перекачка высокоминерализованной пластовой воды насосами требует повышенного расхода мощности двигателей, однако, вместе с этим у высокоминерализованных вод улучшаются процессы отстаивания нефти от воды, уменьшается набухание глинистых частиц продуктивного пласта и понижается температура замерзания этой воды.
В пластовых водах могут присутствовать следующие газы: азот (N2), сероводород (H2S), углекислый газ (СО2), кислород (О2), метан (СН4), этан (С2Н6) и др. в количестве от 15 до 200 л/м3 воды в зависимости от давления температуры, минерализации.
Вязкость пластовой воды зависит в основном от температуры и может изменяться в пределах 0,2-2 сП.
В настоящее время вместе с нефтью добывается около 550-600 млн.м3 пластовых вод в год.
К пластовым сточным водам, подлежащим закачке в продуктивные пласты, обычно предъявляются следующие основные требования:
- стабильность химического состава закачиваемой воды;
- повышенная нефтевымывающая способность;
- вода не должна вызывать быстрого снижения приемистости нагнетательных скважин;
- не должна быть коррозионно-активной;
- затраты на очистку и подготовку воды должны быть минимальными;
- совместимость с водой, содержащейся в пласте;
- высокая степень чистоты (низкое содержание кольматирующих поровое пространство взвесей и отсутствие ингибиторных гелей), обусловливающая максимальную длительность межремонтных периодов и поддержание высокой степени приемистости нагнетательных скважин, вскрывших пласты с различными характеристиками, которая определяется индивидуальными расчетами, учитывающими коллекторские свойства пластов по методике НТЦ «ЭКОТЕХ»;
- температура воды должна исключать существенное охлаждение пласта, изменение вязкостных характеристик вытесняемой нефти и возможность выпадения АСПО в пористой среде пласта и особенно призабойной зоне;
- закачиваемая вода не должна содержать в себе кислород в количествах, поддерживающих жизнедеятельность микроорганизмов, вызывающих формирование гидратов окиси железа, вызывать усиление коррозии оборудования;
- закачка в пласт сероводородсодержащих вод должна осуществляться через систему ППД в антикоррозионном исполнении, что позволяет избежать самоглушения скважин в результате интенсивного корродирования НКТ и другого оборудования;
- концентрация минеральных солей в пластовой сточной воде при ее смешении с пресной или в результате естественного разубоживания должна поддерживаться на уровне более 100 г/л, что позволяет подавлять жизнедеятельность сульфатвосстанавливающих бактерий;
- при закачке воды в пласты, содержащие набухающие глины, концентрация в ней ионов Ca и Mg должно быть выше 10% от общего содержания ионов всех других типов.
Стабильность химического состава пластовой сточной воды означает, что в подготовленной для нагнетания воде при хранении и перекачке не должны образовываться твердые взвешенные частицы за счет химических реакций.
Большинство пластовых сточных вод имеет низкую стабильность, что связано со значительным содержанием в них ионов бикарбонатов НСО3- и солей закисного железа в форме бикарбоната Fe(HCO3)2.
Если пластовая сточная вода контактирует с кислородом воздуха, то происходит реакция вида:
4Fe(HCO3)2 + O2 + 2H2O → 4Fe(OH)3 ↓ + ↑ 8CO2 ,
в результате которой образуется осадок гидрата окиси железа, приводящий к снижению приемистости нагнетательных скважин, и весьма коррозионно-агрессивный углекислый газ.
Повышенная нефтевымывающая способность. Закачиваемая в пласт вода должна обладать достаточной нефтевымывающей способностью, обеспечивающей при заводнении не менее 60% добычи от балансовых запасов нефти. На увеличение коэффициента нефтеотдачи продуктивных горизонтов при их заводнении существенно влияют ПАВ, которые содержаться в пластовой сточной воде. Вода, содержащая ПАВ, обладает низким поверхностным натяжением на границе с нефтью и значительно эффективнее смачивает породы продуктивных пластов, т.е. она более полно отмывает нефть, удерживаемую на поверхности поровых каналов под действием капиллярных и адгезионных сил.
Значительная часть ПАВ, содержащихся в воде, адсорбируется на поверхности пород, поэтому добавку ПАВ к воде целесообразно применять при внутриконтурном заводнении пластов с небольшим содержанием воды, в результате чего концентрация ПАВ на поверхности капилляров увеличивается, что ведет к повышению нефтеотдачи. Естественно, что вода не должна вызывать быстрого снижения приемистости нагнетательных скважин. Для поддержания, приемистости их на определенном уровнеи содержание механических примесей и количество нефти в пластовой сточной воде, закачиваемой в продуктивные пласты, должно быть строго регламентировано для каждого месторождения. При этом следует иметь в виду, что размеры частиц всегда первичны, а их масса в мг/л – вторична.
3.1.4 Защита водоводов от коррозии
Трубопроводы, резервуары и другое нефтепромысловое оборудование в процессе эксплуатации подвергаются, как правило, интенсивной коррозии, в результате чего затрачивается много времени и средств на их замену для восстановления нормальной работы.
Коррозией металла называют самопроизвольное разрушение металлических материалов вследствие физико-химического взаимодействия их с окружающей средой. Процесс коррозии может протекать двумя путями: прямым химическим воздействием среды на металл и в результате электрохимических реакций, сопровождающихся прохождением электрического тока между отдельными участками поверхности металла.
Одним из наиболее важных факторов, характеризующих агрессивную среду и оказывающих большее влияние на протекание электрохимических реакций, является концентрация ионов водорода, т. е. водородный показатель pH среды. Скорость коррозии особенно сильно увеличивается с уменьшением pH < 4. При pH = 4÷9 скорость коррозии примерно остается постоянной.
Химическая коррозия металлов не столь интенсивна, как электрохимическая, необходимыми условиями протекания которой являются наличие электролита и непрерывное течение электрического тока. Для возникновения и течения процессов электрохимической коррозии необходимы: 1) наличие двух участков металла с различным потенциалом в растворе данного электролита, 2) контакт обоих участков с электролитом, 3) соединение обоих разнородных участков между собой проводником.
Описанный процесс напоминает нам гальванический элемент.
Больше всего интенсивной коррозии подвергаются промысловые трубопроводы, которые прокладывают надземно, подземно и под водой. По этим трубопроводам обычно транспортируют газ, воду (пресную, минерализованную) и нефтяную эмульсию, которые являются электролитами, способствующими процессу электрохимической коррозии.
Интенсивность процесса коррозии трубопроводов зависит многих факторов, главные из которых:
- концентрация агрессивных компонентов (H2S, CO2), с ростом которых коррозионное разрушение металла происходит интенсивнее;
- температура и давление - повышение температуры ускоряет анодные и катодные процессы, т. е. увеличивает скорость движения заряженных ионов, а повышение давления - облегчает процесс гидролиза многих солей, увеличивает растворимость CO2 ;
- скорость потока – увеличение скорости движения нефтегозоводяной смеси интенсифицирует процесс коррозии;
- состояние поверхности оборудования – шероховатая поверхность металла коррозирует значительно быстрее, нежели гладкая или полированная;
- наличие продуктов, вызывающих жизнедеятельность микроорганизмов, являющихся причиной биологической коррозии металла;
- механическое воздействие на металл – в результате различных ударов и деформаций изменяется структура металла, возникают повышенные напряжения, и эти места усиленно коррозируют.