Использование химического анализа для определения карбонатов/бикарбонатов

Принцип метода рН/Pf для определения содержания карбонатов/бикарбонатов заключается в определении количества (в мл) серной кислоты N 0,02 (H₂SO₄), которое требуется для снижения рН пробы фильтрата бурового раствора с текущего уровня до 8,3. Этот диапазон перекрывает те уровни рН, при которых возможно существование гидроксилов и карбонатов. Как показано в Табл. 1, при отсутствии карбонатов для восстановления уровня рН потребуется весьма небольшое количество каустической соды, и что соответствующий ему уровень Pf также низок. В качестве примеров, при рН=10, концентрация каустической соды = 0,0014 фунтов/баррель, Pf = 0,005; при рН=11, концентрация каустической соды=0,014 фунтов/баррель, Pf =0,05. Уровень Pf низок вследствие низкой концентрации ионов ОН (каустическая сода). Очень небольшой концентрации ионов водорода (Н) из серной кислоты (H₂SO₄) будет достаточно, чтобы преобразовать ионы ОН в воду (НОН) и снизить рН до 8,3 (конечная точка Pf).

Однако если в растворе присутствуют ионы карбонатов, потребуется не только нейтрализация ионов ОН^-, но и преобразование каждого иона карбоната в ион бикарбоната добавлением серной кислоты N 0,02, чтобы достичь конечной точки Pf на уровне рН=8,3. Из-за этого увеличивается Pf (на эквивалентную величину рН) фильтрата, в котором содержатся карбонаты, в сравнении с фильтратом без карбонатов. Разница между уровнями Pf в фильтрате с карбонатами и без них, а также рН как показатель концентрации гидроксил-ионов позволяют рассчитать концентрацию карбонатов и бикарбонатов. Если известна концентрация карбонатов, можно рассчитать концентрацию кальция, необходимого для осаждения карбонатов.

рН	NaOH (фунтов/баррель)	Pf (см³ 0,02 N H₂SO₄)	OH^- (ppm)
	0,0000014	0,000005	0,0017
	0,000014	0,00005	0,017
	0,00014	0,0005	0,17
	0,0014	0,005	1,7
	0,014	0,05
	0,14	0,5
	1,4		1 700
			17 000

Табл. 1. Зависимость рН и щелочность чистой воды.

Анализ карбонатов/бикарбонатов по Pf/Mf основан на определении количества (в мл) серной кислоты 0,02 N, необходимой для снижения уровня рН пробы фильтрата бурового раствора с текущего уровня до рН=8,3 и рН=4,3. Эти уровни рН перекрывают диапазон, в котором могут находится карбонаты, бикарбонаты и углекислота. Как указано выше, при отсутствии карбонатов для восстановления уровня рН до типовых величин требуется очень небольшое количество каустической соды, и что соответствующие данному уровню рН величины Pf и Mf малы.

Однако если в растворе присутствуют ионы карбонатов/бикарбонатов, потребуется не только нейтрализация ионов ОН^-, но и преобразование каждого иона карбоната в ион бикарбоната добавлением серной кислоты, чтобы достичь конечной точки Pf на уровне рН=8,3. Из-за этого увеличивается Pf (на эквивалентную величину рН) фильтрата, в котором содержатся карбонаты/бикарбонаты, в сравнении с фильтратом без карбонатов/бикарбонатов. После превращения карбонатов в бикарбонаты и достижения конечной точки Pf=8,3, необходимо добавить еще некоторое количество серной кислоты N 0,02 для преобразования всех бикарбонатов в углекислоту перед достижением конечной точки Mf=4,3.

Если отсутствуют ионы карбонатов/бикарбонатов, в диапазоне рН от 8,3 до 4,3 реакции с бикарбонатами не происходят. А это означает, что Mf будет лишь немного выше Pf. Но при высокой концентрации карбонатов/бикарбонатов Mf будет существенно выше Pf. Так как в отличие от метода pH/Pf данный метод анализа не относится к категории качественных методов, необходимо установить некоторые общие принципы:

1. При Mf менее 5 мл серной кислоты 0,02 N загрязнения карбонатами обычно не наблюдается.

2. При Mf выше 5 мл серной кислоты 0,02 N и увеличении пропорции Mf/Pf высока вероятность загрязнения раствора карбонатами. Для определения загрязнения необходимо воспользоваться каким-либо количественным методом анализа (например, метод pH/Pf или газоанализатор Гарретта).

ПРИМЕЧАНИЯ:

1. Высокий уровень Mf может быть результатом высокой концентрации лигнита (или органический солей, например ацетатов или формиатов). Эти органические вещества являются своеобразным буфером, поддерживая рН раствора в диапазоне от 4,3 до 8,3.

2. Стандарт API 13B-1 содержит описание расчетов по Pf/Mf для определения концентрации гидроксила (ОН), карбоната (CO₃) и бикарбоната (HCO₃) и альтернативный метод P1/P2. Для определения количества карбонатов можно использовать газоанализатор Гарретта. Это устройство позволяет определить общую концентрацию карбонатов по СО₃в мг/л. Общее содержание карбонатов включает в себя HCO₃ и CO₃. Чтобы преобразовать мг/л в миллимоль/л, мг/л нужно разделить на 60.