ГОСТ 33697-2015 (ISO 10414-2:2011). Межгосударственный стандарт. Растворы буровые на углеводородной основе. Контроль параметров в промысловых условиях

12 Расчет содержания извести, солей и твердой фазы

 

12.1 Принцип

 

12.1.1 Был разработан прямой метод вычисления содержания двойной соли для более легкого и менее громоздкого расчета при определении содержания извести, солей и твердой фазы, не требующий итераций. Для данных расчетов требуется калькулятор или компьютерная сводная таблица. Уравнения в этой процедуре позволяют рассчитать концентрацию следующих компонентов бурового раствора на углеводородной основе:

a) извести, выраженной как Ca(OH)₂, во всем буровом растворе;

b) CaCl₂ и NaCl во всем буровом растворе;

c) CaCl₂ и NaCl, растворенных в водной фазе;

d) твердых частиц малой плотности (соли NaCl и выбуренной породы);

e) утяжелителя.

12.1.2 Приведенные ниже и использованные в уравнениях данные определены в ходе анализов буровых растворов на углеводородной основе, указанных в разделах 5, 9 и 10:

a) плотность бурового раствора (см. раздел 5);

b) щелочность всего бурового раствора V_K (см. 10.4);

c) концентрация кальция во всем буровом растворе (см. 10.6);

d) концентрация хлорида во всем буровом растворе (см. 10.5);

e) объем ретортной нефти V_O и объем ретортной воды V_W (см. раздел 9).

12.1.3 Известные или предполагаемые данные:

a) плотность утяжелителя (г/мл) ;

b) плотность твердых частиц малой плотности (г/мл) ;

c) плотность углеводородной основы (г/мл) .

12.1.4 В данных расчетах не используется "поправка для извести" для изменения концентрации кальция во всем буровом растворе, определенной титрованием ЭДТА.

12.1.5 Необходимо использовать единицы, требуемые в уравнениях. Единицы для всех входных данных и результатов для каждого уравнения указаны; расчеты предпочтительно вести в единицах СИ.

 

12.2 Аппаратура

 

Необходимо использовать калькулятор или компьютерную сводную таблицу для выполнения математических операций, указанных в данной процедуре.

 

12.3 Расчеты для всего бурового раствора

 

12.3.1 Концентрация извести во всем буровом растворе

Концентрацию извести во всем буровом растворе вычисляют по уравнениям (27) и (29), приведенным ранее (см. 10.4.3).

12.3.2 Концентрации хлорида кальция и хлорида натрия во всем буровом растворе

12.3.2.1 Буровой раствор на углеводородной основе обычно содержит хлорид кальция (CaCl₂) и хлорид натрия (NaCl). Используют результаты химического анализа и указанные ниже методы для определения присутствия NaCl и CaCl₂ и их концентраций. Для растворов с перенасыщенной водной фазой часть соли будет присутствовать в виде нерастворимой твердой фазы.

12.3.2.2 Концентрация ионов хлорида во всем буровом растворе, выраженная как полное содержание хлоридов по CaCl₂, основанная на анализе кальция, вычисленная в миллиграммах на литр, килограммах на кубический метр или фунтах на баррель составляет:

 

(32)

 

где - концентрация кальция во всем буровом растворе, мг/л;

- концентрация хлорида во всем буровом растворе, мг/л.

12.3.2.3 Для определения присутствия хлорида натрия сравнивают концентрацию ионов хлорида во всем буровом растворе , определенную в анализе ионов хлорида, уравнение (30), с концентрацией ионов хлорида во всем буровом растворе , определенной в анализе ионов кальция, уравнение (32).

Если превышает , это свидетельствует об избытке хлорид-ионов, и, значит, хлорид натрия присутствует.

Если хлорид натрия присутствует, концентрацию ионов хлорида во всем буровом растворе от NaCl рассчитывают по формуле:

 

(33)

 

где - концентрация ионов хлорида во всем буровом растворе от NaCl, мг/л;

- концентрация хлорида во всем буровом растворе, мг/л;

- концентрация хлорида во всем буровом растворе, основанная на CaCl₂, мг/л.

Если значение положительное, то NaCl присутствует в буровом растворе. Переходят к 12.3.2.5 [уравнение (37)].

Если значение является отрицательным, то в буровом растворе присутствует CaCl₂, а NaCl отсутствует.

12.3.2.4 Если хлорид натрия отсутствует, анализ хлорида во всем буровом растворе является более надежным. Концентрация CaCl₂ во всем буровом растворе [см. уравнение (30)] основана на анализе хлорид-ионов, как указано ниже:

 

(34)

 

(35)

 

(36)

 

где - концентрация хлорида во всем буровом растворе, мг/л;

- концентрация хлорида кальция во всем буровом растворе, мг/л;

- концентрация хлорида кальция во всем буровом растворе, фунт/баррель;

- концентрация хлорида кальция во всем буровом растворе, кг/м³.

В случае растворов, не содержащих хлорида натрия, переходят к 12.4.

12.3.2.5 В случае растворов, содержащих как хлорид натрия, так и хлорид кальция, концентрацию CaCl₂ во всем буровом растворе вычисляют по анализу ионов кальция во всем буровом растворе [см. уравнение (31)], как указано ниже:

 

(37)

 

(38)

 

(39)

 

где - концентрация кальция во всем буровом растворе, мг/л;

- концентрация CaCl₂ во всем буровом растворе, мг/л;

- концентрация CaCl₂ во всем буровом растворе, фунт/баррель;

- концентрация CaCl₂ во всем буровом растворе, кг/м³.

12.3.2.6 Концентрацию NaCl во всем буровом растворе рассчитывают, как указано ниже:

 

(40)

 

(41)

 

(42)

 

где - концентрация хлорида во всем буровом растворе от хлорида натрия, мг/л;

c_NaCl,DF,A - концентрация хлорида натрия во всем буровом растворе, мг/л;

c_NaCl,DF,B - концентрация хлорида натрия во всем буровом растворе, фунт/баррель;

c_NaCl,DF,C - концентрация хлорида натрия во всем буровом растворе, кг/м³.

 

12.4 Расчеты водной фазы

 

12.4.1 В расчетах в 12.3 используют концентрации химических веществ во всем буровом растворе. Расчеты в настоящем подразделе (12.4) определяют концентрации солей в водной фазе бурового раствора и выявляют, является ли часть соли хлорида натрия нерастворимой.

12.4.2 Если все соли являются растворимыми, в уравнениях (45) и (46) вычисляют массовые доли CaCl₂ и NaCl соответственно в водной фазе бурового раствора на углеводородной основе.

Массовую долю CaCl₂ в водной фазе вычисляют по формуле:

 

(43)

 

где - массовая доля хлорида кальция в водной фазе, % от полной массы водной фазы;

- концентрация хлорида кальция во всем буровом растворе, мг/л;

- концентрация хлорида натрия во всем буровом растворе, мг/л;

- объемная доля воды, %.

В случае растворов, не содержащих хлорида натрия, переходят к 12.4.5.

12.4.3 Количество NaCl составляет:

 

(44)

 

где - массовая доля хлорида натрия в водной фазе, % от полной водной фазы;

- концентрация хлорида кальция во всем буровом растворе, мг/л;

c_NaCl,DF - концентрация хлорида натрия во всем буровом растворе, мг/л;

- объемная доля воды, %.

12.4.4 Максимальная массовая доля растворимого NaCl, которая может существовать для массовой доли CaCl₂, присутствующей в водной фазе при 25 °C (77 °F), может быть определена по эмпирическим данным взаимной растворимости (см. ссылку [13]), используя уравнение (45). Если значение из уравнения (44) превышает максимальное растворимое значение из уравнения (45), водная фаза является перенасыщенной и часть хлорида натрия существует как нерастворимая твердая фаза (см. рисунок 1, область 2). В таком случае массовые доли водной фазы, вычисленные в уравнении (43) и уравнении (44), являются неверными, поскольку не весь NaCl присутствует в виде раствора.

 

 

1 - область, в которой NaCl является растворимым;

2 - область, в которой NaCl является нерастворимым

 

Рисунок 1 - Максимальные концентрации NaCl

в рассоле CaCl₂ при 25 °C (77 °F)

 

12.4.4.1 Максимальную массовую долю растворимого NaCl, которая может существовать в водной фазе, вычисляют по формуле:

 

(45)

 

где - максимальный растворимый хлорид натрия в водной фазе, который может существовать для данной массовой доли хлорида кальция (см. ссылку [13]), % от полной массы водной фазы;

- массовая доля хлорида кальция в водной фазе, % от полной массы водной фазы.

12.4.4.2 Если из уравнения (44) меньше, чем из уравнения (45), весь NaCl является растворимым в водной фазе (рисунок 1, область 1). Переходят к 12.4.5 и используют из уравнения (43) и из уравнения (44) для остальных расчетов.

12.4.4.3 Если больше, чем , водная фаза является перенасыщенной и присутствует нерастворимый NaCl (рисунок 1, область 2). Для этих растворов массовая доля обеих солей из уравнения (43) и из уравнения (44) должны быть пересчитаны.

12.4.4.4 Для перенасыщенных растворов верная массовая доля CaCl₂ может быть определена по эмпирическим данным взаимной растворимости (см. [13]), используя концентрацию кальция, выраженную как массу кальция на объем чистой воды в водной фазе , определяемую из концентрации ионов кальция во всем буровом растворе, и ретортному анализу.

Концентрацию кальция, выраженную в отношении к объему чистой воды в водной фазе, вычисляют следующим образом:

 

(46)

 

где - концентрация кальция в водной фазе на объем чистой воды, мг/л;

- концентрация кальция во всем буровом растворе, мг/л;

- объемная доля воды, %.

12.4.4.5 Для перенасыщенных растворов фактическую массовую долю хлорида кальция в водной фазе вычисляют по формуле:

 

(47)

 

где - массовая доля хлорида кальция в водной фазе в перенасыщенном растворе, % от полной массы водной фазы;

- концентрация кальция в водной фазе на объем чистой воды, мг/л.

Используют это фактическое значение для в оставшихся уравнениях для растворов с перенасыщенной водной фазой.

Примечание - Нерастворенный NaCl имеет более низкий удельный вес, чем большая часть бурового шлама. Если он присутствует в буровом растворе на углеводородной основе, расчеты твердой фазы будут ошибочными. В данной процедуре не приводится метода компенсации этого типа ошибок.

 

12.4.4.6 Теперь, когда фактическая массовая доля хлорида кальция для перенасыщенной водной фазы известна, верной массовой долей NaCl в водной фазе является , и она должна быть пересчитана из уравнения (47) с использованием для . Используют это пересчитанное значение для в оставшихся расчетах для растворов с перенасыщенными водными фазами.

12.4.5 Плотность рассола , г/мл, пересчитывают по формуле:

 

(48)

 

где - плотность водной фазы, г/мл;

- массовая доля водной фазы хлорида кальция, % от общей массы водной фазы;

- массовая доля водной фазы хлорида натрия, % от общей массы водной фазы.

12.4.6 Концентрацию CaCl₂ водной фазы, мг/л, вычисляют по формуле:

 

(49)

 

где - концентрация хлорида кальция в водной фазе, мг/л;

- массовая доля водной фазы хлорида кальция, % от общей массы водной фазы;

- плотность водной фазы, г/мл.

Примечание - Массовые доли и плотность растворов солей в случае присутствия двух солей не соответствуют значениям для одной соли, которые можно найти в таблицах минерализации.

 

В случае растворов, не содержащих хлорида натрия, переходят к 12.6.

12.4.7 Концентрацию растворимого NaCl в водной фазе, мг/л, вычисляют по формуле:

 

(50)

 

где c_NaCl,AQ - концентрация хлорида натрия в водной фазе, мг/л;

- массовая доля хлорида натрия в водной фазе, % от общей массы водной фазы;

- плотность водной фазы, г/мл.

В случае растворов, не содержащих нерастворимого хлорида натрия, переходят к 12.6.

 

12.5 Расчеты содержания растворимого и нерастворимого хлорида натрия во всем буровом растворе

 

12.5.1 Для буровых растворов с перенасыщенной водной фазой, содержащей некоторое количество нерастворимого NaCl, уравнения с (51) по (55) могут использоваться для определения растворимого и нерастворимого количества во всем буровом растворе:

 

(51)

 

где - концентрация растворимого хлорида натрия в водной фазе, мг/л;

- пересчитанная максимальная массовая доля водной фазы растворимого хлорида натрия, которая может существовать для данной массовой доли CaCl₂, % от общей массы водной фазы;

- концентрация хлорида кальция во всем буровом растворе, мг/л;

- объемная доля воды, %.

12.5.2 Концентрацию растворимого NaCl во всем буровом растворе, выраженную в единицах USC, вычисляют по формулам:

 

c_{NaCl,DF,SOL,B} = 0,00035c_{NaCl,DF,SOL,A}; (52)

 

c_{NaCl,DF,SOL,C} = 0,001c_{NaCl,DF,SOL,A}, (53)

 

где c_{NaCl,DF,SOL,B} - концентрация растворимого хлорида натрия во всем буровом растворе, фунт/баррель;

c_{NaCl,DF,SOL,C} - концентрация растворимого хлорида натрия во всем буровом растворе, кг/м³;

c_{NaCl,DF,SOL,A} - концентрация растворимого хлорида натрия во всем буровом растворе, мг/л.

12.5.3 Концентрацию нерастворимого NaCl во всем буровом растворе вычисляют по формулам:

 

c_{NaCl,DF,INSOL,A} = c_NaCl,DF,A - c_{NaCl,DF,SOL,A}; (54)

 

c_{NaCl,DF,INSOL,B} = c_NaCl,DF,B - c_{NaCl,DF,SOL,B}, (55)

 

где c_{NaCl,DF,INSOL,A} - концентрация нерастворимого хлорида натрия во всем буровом растворе, мг/л;

c_NaCl,DF,A - концентрация хлорида кальция во всем буровом растворе, мг/л;

c_{NaCl,DF,SOL,A} - концентрация растворимого хлорида натрия во всем буровом растворе, мг/л;

c_{NaCl,DF,INSOL,B} - концентрация нерастворимого хлорида натрия во всем буровом растворе, фунт/баррель;

c_NaCl,DF,B - концентрация хлорида кальция во всем буровом растворе, фунт/баррель;

c_{NaCl,DF,SOL,B} - концентрация растворимого хлорида натрия во всем буровом растворе, фунт/баррель.

 

12.6 Вычисления. Содержание твердых частиц во всем буровом растворе

 

12.6.1 Концентрации твердых частиц с поправкой

12.6.1.1 Совокупность воды и растворенных солей известна как рассол, и концентрация твердой фазы требует поправки на этот рассол. Объемную долю рассола во всем буровом растворе вычисляют по следующей формуле:

 

(56)

 

где - объемная доля рассола во всем буровом растворе, %;

- массовая доля водной фазы хлорида кальция, % от общей массы водной фазы;

- массовая доля водной фазы хлорида натрия, % от общей массы водной фазы.

12.6.1.2 Объемную долю твердой фазы во всем буровом растворе с поправкой вычисляют по формуле:

 

(57)

 

где - объемная доля твердых частиц с поправкой, % от всего бурового раствора;

- объемная доля нефти, % от всего бурового раствора;

- объемная доля рассола, % от всего бурового раствора.

12.6.2 Вычисления. Соотношение нефть-вода

12.6.2.1 Значения соотношения нефти и воды R_O и R_W вычисляют по объемной доле восстановленных жидкостей в ретортном анализе по формуле:

 

(58)

 

где R_O - отношение объемной доли нефти к сумме объемных долей нефти и чистой воды по ретортному анализу, %;

- объемная доля нефти, % от всего бурового раствора;

- объемная доля чистой воды, % от всего бурового раствора.

12.6.2.2 Соотношение воды вычисляют по формуле:

 

(59)

 

где R_W - отношение объемной доли воды к сумме объемных долей нефти и чистой воды по ретортному анализу, %;

- объемная доля нефти, % от всего бурового раствора;

- объемная доля чистой воды, % от всего бурового раствора.

Примечание - Соотношение нефть-вода иногда обозначают как OWR, а численные значения часто округляют до ближайшего целого числа.

 

12.6.3 Вычисления. Соотношение нефть-рассол

12.6.3.1 Значение соотношения нефти и рассола R_O и R_B вычисляют по объемной доле нефти в ретортном анализе и объемной доле рассола, вычисленной в 12.6.1, и уравнениям (60) и (61):

 

(60)

 

где R_O - отношение объемной доли нефти к сумме объемных долей нефти и чистой воды по ретортному анализу, %;

- объемная доля нефти, % от всего бурового раствора;

- объемная доля рассола, выраженная в процентах от всего бурового раствора.

12.6.3.2 Соотношение рассола вычисляют по формуле:

 

(61)

 

где R_B - отношение объемной доли рассола к сумме объемных долей нефти и рассола, %;

- объемная доля рассола, % от всего бурового раствора;

- объемная доля нефти, % от всего бурового раствора.

Примечание - Соотношение нефть-рассол иногда обозначают как OBR, а численные значения часто округляют до ближайшего целого числа.

 

12.6.4 Вычисления. Концентрация и плотность твердых частиц

12.6.4.1 Твердая фаза в буровом растворе на углеводородной основе состоит из твердых частиц малой плотности, таких как буровой шлам, и утяжелителя, такого как барит или гематит. Плотности материалов, обычно встречающихся в буровых растворах на углеводородной основе, даны в таблице 5.

 

Таблица 5

 

Плотности, обычно используемые в вычислениях

 

Компонент бурового раствора		Плотность (объемная масса)
		г/мл	кг/м3	фунт/галлон
Чистая вода (водопроводная)		1,00	1000	8,345
Дизельное топливо (обычное)		0,84	840	7,00
Маловязкая нефть (обычная)		0,80	800	6,70
Твердые частицы малой плотности		2,65	2650	22,10
Утяжелители	Барит	4,20	4200	35,00
	Гематит	5,05	5050	42,10

 

12.6.4.2 Среднюю плотность (объемная масса) взвешенных твердых частиц вычисляют по формуле:

 

(62)

 

где - средняя плотность (объемная масса) взвешенных твердых частиц;

- плотность бурового раствора, г/мл;

- объемная доля нефти, % от всего бурового раствора;

- плотность нефти, г/мл;

- объемная доля рассола, % от всего бурового раствора;

- плотность рассола, г/мл;

- объемная доля твердых частиц с поправкой, % от всего бурового раствора.

Уравнение (62) может быть рассчитано в единицах USC с использованием значений плотности в фунтах на галлон для плотности бурового раствора и плотностей нефти и рассола и .

12.6.5 Вычисления. Объемная доля и концентрация утяжелителя и твердых частиц малой плотности

12.6.5.1 Объемную долю утяжелителя вычисляют по формуле:

 

(63)

 

где - объемная доля частиц утяжелителя, % от всего объема взвешенных частиц;

- плотность твердых частиц малой плотности, г/мл;

- плотность частиц утяжелителя, г/мл;

- объемная доля твердых частиц с поправкой, % от всего бурового раствора.

Примечание - Для растворов с перенасыщенной водной фазой и нерастворимым NaCl нерастворимый NaCl имеет более низкий удельный вес, чем большая часть бурового шлама, так что вычисления содержания твердых частиц на основе удельного веса бурового шлама будут ошибочны. В данной процедуре не приводится метода компенсации этого типа ошибок.

 

12.6.5.2 Объемную долю твердых частиц малой плотности вычисляют по формуле:

 

(64)

 

где - объемная доля твердых частиц малой плотности, % от всего объема взвешенных частиц;

- объемная доля твердых частиц с поправкой, % от всего бурового раствора;

- объемная доля частиц утяжелителя, % от всего объема взвешенных частиц.

12.6.5.3 Массовую концентрацию утяжелителя вычисляют по формулам:

 

(65)

 

(66)

 

где c_WM,C - концентрация утяжелителя, кг/м³;

c_WM,B - концентрация утяжелителя, фунт/баррель.

12.6.5.4 Массовая концентрация твердых частиц малой плотности может быть вычислена в килограммах на кубический метр (фунтах на баррель) как:

 

(67)

 

(68)

 

где c_LG,C - концентрация твердых частиц малой плотности, кг/м³;

c_LG,B - концентрация твердых частиц малой плотности, фунт/баррель.