Определение концентрации твердой фазы и нефти

В буровом растворе

 

Концентрация твердой фазы. С_т, % - величина, определяемая отношением количества твердого вещества к общему объему бурового раствора.

Объемная концентрация твердой фазы определяется, исходя из материального баланса компонентов бурового раствора, и рассчитывается по формуле:

(2)

где С_т- объемная концентрация твердой фазы, %;

С_н – объемная концентрация нефти, %;

С_с – объемная концентрация соли, %;

r_т- плотность твердой фазы, г/см³;

r_р – плотность раствора, г/см³;

r_вф – плотность водной фазы, г/см³;

r_н - плотность нефти, г/см³;

r_с – плотность соли, г/см³;

r_в – плотность воды, г/см³

При плотности водной фазы, равной плотности воды r_вф= r_в=1,0 г/см³, плотности нефти r_н=0,8 г/см³, плотности соли (NaCl) r_с=2,85 г/см³.

 

(3)

Перевод объемной концентрации твердой фазы в массовую концентрацию производится по формуле:

(4)

где Т_т- массовая концентрация твердой фазы в буровом растворе, %

Определение величин, входящих в формулу (22,23), рассмотрено ниже для конкретных видов буровых растворов.

Для растворов, содержащих только воду и глину, формулы (2,3) значительно упрощаются (r_т=r_гл)

(5)

 

Концентрация твердой фазы (глины) в данных растворах зависит только от плотности раствора и определять ее можно по таблице 1, принимая среднее значение плотности глины r_гл-2,6 г/см³.

 

Таблица 1

Концентрация твердой фазы (глины) в зависимости от плотности раствора. (При расчетах принято среднее значение плотности глины – 2,6 г/см³ )

Плот- ность р-ра, г/см3	Концентрация глины, %	Плот- ность р-ра, г/см3	Концентрация глины, %
объемная	масс. объем	массовая	объемная	масс. объем	массовая
1,000	0,00	0,00	0,00	1,100	6,25	16,25	14,75
1,005	0,31	0,81	0,80	1,105	6,56	17,06	15,44
1,010	0,62	1,62	1,60	1,110	6,87	17,87	16,11
1,015	0,93	2,43	2,39	1,115	7,18	18,68	16,76
1,020	1,25	3,25	3,18	1,120	7,50	19,50	17,41
1,025	1,56	4,07	3,96	1,125	7,81	20,31	18,06
1,030	1,88	4,87	4,74	1,130	8,12	21,12	18,69
1,035	2,19	5,68	5,50	1,135	8,43	21,93	19,32
1,040	2,50	6,50	6,25	1,140	8,75	22,75	19,96
1,045	2,87	7,32	7,00	1,145	9,06	23,56	20,57
1,050	3,12	8,12	7,73	1,150	9,37	24,37	21,20
1,055	3,44	8,94	8,47	1,156	9,68	25,18	21,80
1,060	3,75	9,75	9,20	1,160	10,00	26,00	22,41
1,065	4,07	10,60	9,91	1,165	10,31	26,81	23,01
1,070	4,38	11,39	10,64	1,170	10,62	27,62	23,61
1,075	4,69	12,19	11,34	1,175	10,93	28,43	24,20
1,080	5,00	13,00	12,04	1,180	11,25	29,25	24,79
1,085	5,31	13,81	12,74	1,185	11,56	30,06	25,36
1,090	5,63	14,63	13,41	1,190	11,87	30,87	25,95
1,095	5,94	15,44	14,10	1,195	12,18	31,68	26,51
1,200	12,50	32,50	27,10	1,300	18,75	48,75	37,50
1,205	12,81	33,31	27,65	1,305	19,06	49,56	38,00
1,210	13,12	34,40	28,20	1,310	19,37	50,37	38,42
1,215	13,43	34,90	28,75	1,315	19,68	51,18	38,95
1,220	13,75	35,75	29,30	1,320	20,00	52,00	39,39
1,225	14,06	36,56	29,85	1,325	20,31	52,81	39,88
1,230	14,37	37,37	30,39	1,330	20,62	53,62	40,31
1,235	14,68	38,18	30,95	1,335	20,93	54,43	40,75
1,240	15,00	39,00	31,45	1,340	21,25	55,25	41,23
1,245	15,31	39,81	32,00	1,345	21,56	56,06	41,72
1,250	15,62	40,62	37,50	1,350	21,87	56,87	42,13
1,255	15,93	41,43	33,02	1,355	22,18	57,68	42,60
1,260	16,25	42,25	33,53	1,360	22,50	58,50	43,01
1,265	16,56	43,06	34,04	1,365	22,81	59,31	43,49
1,270	16,87	43,87	34,55	1,370	23,12	60,12	43,88
1,275	17,18	44,68	35,03	1,375	23,43	60,93	44,25
1,280	17,50	45,50	35,55	1,380	23,75	61,75	44,75
1,285	17,81	46,31	36,04	1,385	24,06	62,56	45,25
1,290	18,12	47,12	36,53	1,390	24,37	63,37	45,60
1,295	16,43	47,93	37,01	1,395	24,68	64,18	46,00

 

Более точно концентрация твердой фазы определяется методом выпари-вания взвешенной пробы раствора и определения массы высушенной пробы.

Порядок работы:

налить 50 г бурового раствора в предварительно высушенную и взвешенную фарфоровую чашку;

взвесить чашку с раствором, поместить ее в сушильный шкаф и сушить на верхней полочке при температуре ~100 ⁰С до постоянной массы;

первое взвешивание произвести примерно через 6 часов, повторные – через 1 час; масса считается постоянной, если разность между двумя последователь-ными взвешиваниями менее 0,01 г; пробы перед каждым взвешиванием выдерживать в эксикаторе с безводным хлористым кальцием до охлаждения.

Массовая концентрация твердой фазы вычисляется по формуле

(6)

где Т_т – массовая концентрация твердой фазы, %;

Р – масса высушенной чашки, г;

Р₁ – масса чашки с буровым раствором, г;

Р₂ – масса чашки с высушенной пробой, г

Для минерализованных растворов объемная концентрация соли (С_с) определяется по таблице 2, исходя из плотности фильтрата бурового раствора. Плотность раствора и фильтрата определяется на весах-плотномере ВРП-1 или пикнометр.

Таблица 2

Концентрация NaCl в растворах различной плотности (при 20 ⁰С)

Плотность, г/см3	Концентрация NaCl, %	Плотность, г/см3	Концентрация NaCl, %
массовая	объемная	массовая	объемная
1,005	0,76	0,27	1,105	14,64	5,68
1,010	1,97	0,70	1,110	15,27	5,95
1,015	2,28	0,81	1,115	15,89	6,22
1,020	3,02	1,08	1,120	16.51	6,49
1,025	3,76	1,35	1,125	17,12	6,76
1,030	4,49	1,62	1,130	17,72	7,03
1,035	5,21	1,89	1.135	18,32	7,30
1,040	5,93	2,16	1,140	18,92	7,57
1,045	6,63	2,43	1,145	19,51	7,84
1,050	7,34	2,70	1,150	20,09	8,11
1,055	8,03	2,97	1,155	20,67	8,38
1,060	8,72	3,24	1,160	21,25	8,65
1,065	9,40	3,51	1,165	21,82	8,92
1,070	10,08	3,78	1,170	22,38	9,19
1,075	10,75	4,05	1,175	22,94	9,46
1,080	11,41	4,32	1,180	23.50	9,73
1,085	12,07	4,59	1,186	24,05	10,00
1,090	12,72	4,86	1,190	24,60	10,27
1,095	13,37	5,14	1,195	25,14	10,54
1,100	14,00	5,41	1,200	25,68	10,81

По таблице 1 в соответствующей строке находим, что раствор плотностью 1,095 г/см³ содержит 5,94 % (объемн.) твердой фазы. Или, подставляя значение r_р=1,095 г/см³ в формулу (2) (С_н=0; С_с=0), найдем

 

%

 

 

П р и м е р 2. Раствор плотностью 1,27 г/см³ содержит 5 % (объемн.) нефти, плотность фильтрата 1,02 г/см³. Необходимо найти объемную концентрацию твердой фазы.

По таблице 2 находим, что раствор плотностью 1,02 г/см³ содержит 1 % (объемн.) соли. Подставляем все данные в формулу, получим содержание твердой фазы.

%

Для сложных систем буровых растворов, содержащих соль, нефть, глину, утяжелитель, определение концентрации твердой фазы, нефти и других компонентов производится с помощью установки ТФН-1, принцип работы которой основан на выпаривании жидкой фазы из заданного объема бурового раствора, конденсации паров и измерении объема жидкой фазы.

Основные характеристики установки ТФН-1:

 

объем выпариваемой пробы бурового раствора, см3;	10;
температура нагрева пробы бурового раствора, 0С	450 ±50;
продолжительность анализа, не более, мин.	60;
основная приведенная погрешность определения концентрации твердой и жидкой фаз в буровом растворе, не более, %	4;
напряжение питания, В

 

Порядок работы:

Определение концентрации твердой фазы в пробе бурового раствора при наличии аналитических весов ВЛР-200-Т или квадратных весов ВЛКТ-500 г/10 производится весовым методом:

определить путем взвешивания на весах массу собранного испарителя без пробы;

отвинтить нижнюю камеру испарителя, наполнить ее буровым раствором, закрыть калибровочной крышкой, свинтить с верхней камерой и снова взвесить;

соединить испаритель с конденсатором, произвести затяжку резьбовых соединений и вставить в гнездо термостата;

установить измерительный цилиндр против сливного отверстия конденсатора;

закрыть крышку кожуха и включить установку в сеть на нагрев, начало нагрева контролировать по загоранию сигнальной лампочки на передней панели;

окончанием анализа служит прекращение выпадения капель конденсата в измерительный цилиндр, после прекращения выпадения капель отключить питание электронагревателя;

открыть крышку кожуха установки, извлечь из термостата испаритель с конденсатором и установить его в подставку для охлаждения, вставить в термостат охладитель, предварительно наполненный водой;

полученные конденсатные объемы воды и нефти считываются с точностью до 0,1 см³ по градуировочной шкале измерительного цилиндра в соответствии с положениями менисков; по окончании измерений измерительный цилиндр освободить от конденсата, высушить и подготовить для проведения следующего анализа;

после охлаждения испаритель с твердым остатком отсоединить от конденсатора и взвесить.

В том случае, если отсутствуют весы ВЛР-200-Т или ВЛКТ-500 г/10, применяется объемный метод, для которого необходимо иметь весы-плотномер ВРП-1 (или пикнометр). Определение концентрации твердой и жидкой фаз производится следующим образом:

определить с помощью ВРП-1 или пикнометра плотность бурового раствора, подлежащего анализу;

наполнить нижнюю камеру испарителя буровым раствором, прикрыть калибровочной крышкой, произвести сборку испарителя с конденсатором и вставить их в термостат, включить установку на нагрев;

после окончания выпаривания, конденсации, прокаливания и прекращения стекания конденсата установку отключить от электропитания;

испаритель и конденсатор извлечь из термостата и произвести охлаждение;

определить с точностью до 0,1 см³ полученные в измерительном цилиндре конденсатные объемы воды и нефти.

Если использовался весовой метод, то обработка данных производится следующим образом:

плотность бурового раствора рассчитывается по формуле:

(7)

где r_р – плотность раствора, г/ см³;

Р₁ – масса испарителя без пробы, г;

Р₂ – масса испарителя с пробой, г;

10– вместимость камеры испарителя, см³;

плотность твердой фазы рассчитывается по формуле:

 

(8)

где r_р – плотность твердой фазы, г/см³;

Р₁ – масса испарителя без пробы, г;

Р₃ – масса испарителя с твердым остатком, г;

V_т – объем твердой фазы, см³;

объем твердой фазы рассчитывается по формуле:

 

V_т=10-V_в- V_н- V_c (9)

где V_т – объем твердой фазы, см³;

10– вместимость камеры испарителя, см³;

V_в- объем воды в измерительном цилиндре, см³;

V_н – объем нефти в измерительном цилиндре, см³;

V_c- объем соли в навеске раствора, см³;

объем соли в навеске раствора рассчитывается по формуле:

 

(10)

где Vc- объем соли, см3;

10– вместимость камеры испарителя, см³;

С_с – объемная концентрация соли, % (определяется по таблице 2)

Используя данные, полученные по формуле (22) или (23), определяют концентрацию твердой фазы.

Если использовался объемный метод, то обработка данных производится следующим образом:

плотность твердой фазы рассчитывается по формуле:

(11)

где r_т - плотность твердой фазы, г/см³;

Р_т – масса твердой фазы, г;

V_т – объем твердой фазы, см³;

масса твердой фазы рассчитывается по формуле:

Р_т=10 r_р- V_в×1,0- V_н×0,8-V_c× 2,85 (12)

где Р_т- масса твердой фазы, г;

r_р – плотность раствора, г/см³;

V_в- объем воды в измерительном цилиндре, см³;

V_н – объем нефти в измерительном цилиндре, см³;

V_с – объем соли в навеске раствора, см³ (определяется как в весовом методе);

0,8 – плотность нефти, г/см³;

2,85 – плотность соли, г/см³;

объем твердой фазы рассчитывается по формуле (9).

Используя полученные по формуле (22) данные, определяет концентрацию твердой фазы.

Объемная концентрация утяжелителя в растворе рассчитывается по формуле:

(13)

где С_у – объемная концентрация утяжелителя в растворе, %;

r_у – плотность утяжелителя, г/см^3;

r_т – плотность твердой фазы раствора, г/см³;

r_гл. – плотность глины, г/см³ (если неизвестна, то принимают 2,6 г/см³)

С_т – объемная концентрация твердой фазы, %.

Объемную концентрацию глины в растворе рассчитывают по формуле:

С_гл.=С_т –С_у (14)

 

где С_гл. – объемная концентрация глины, %;

С_т – объемная концентрация твердой фазы, %;

С_у - объемная концентрация утяжелителя, %.

П р и м е р 3. Масса навески раствора в испарителе –17 г, масса навески после высушивания –9,8 г, плотность фильтрата – 1,03 г/см³, в измерительном цилиндре находилось 1,1 см³ нефти и 6,3 см³ воды. Необходимо найти концентрацию твердой фазы и ее компонентов (барита и глины) в растворе:

определяем плотность раствора

r_р=17:10=1,7 г/см³;

определяем объем соли в навеске. По таблице 2 найдем объемную концентрацию соли. При r₀=1,03 г/см³, С_с=1,62 %

 

см³

определяем объем твердой фазы

V_т=10-1,1 –6,3-0,16=2,44 см³;

определяем плотность твердой фазы

 

г/см³;

определяем объемную концентрацию твердой фазы

%;

определяем объемную концентрацию глины в растворе

С_гл.=17,2-15,4=1,8 %

П р и м е р 4. Плотность раствора – 1,95 г/см³; плотность фильтрата –1,06 г/см³; в измерительном цилиндре находилось 1,7 см³ нефти и 4,4 см³ воды.

Необходимо найти концентрацию твердой фазы и ее компонентов (барита и глины) в растворе:

определяем объем соли (при r_с=1,06 г/см³, Сс=3,24 %)

 

см³;

определяем объем твердой фазы

V_т=10-4,4-1,7-0,324=3,576 см³;

определяем массу твердой фазы

Р₁=10 1,95-4.;-1,7 0,8-0,324 2,85=12,82 г;

определяем плотность твердой фазы

 

г/см³;

определяем объемную концентрацию твердой фазы

 

%;

определяем объемную концентрацию барита в растворе

 

%;

определяем объемную концентрацию глины в растворе

 

С_гл=35,7-24,9=10,8 %

 

	Ретортный анализ c использованием реторты фирмы БАРОИД

 

Единицы измерения

Объемный процент

Пример

Объемный процент содержания жидкости = 80 %

Оборудование

комплект реторт в сборе

мерный ресивер JP

тонковолокнистая стальная вата

высокотемпературная смазка

ершики

шпатель или лопатка с лезвием

Порядок действий

Отобрать пробу раствора и остудить его до температуры приблизительно 80°F (27 °C).

Заполнить верхнюю камеру реторты тонковолокнистой стальной ватой.

Смазать резьбу на чашке для пробы и конденсаторе тонким слоем смазочного/антизадирного состава.

Примечание: Тем самым предотвращаются потери пара сквозь резьбу, а также облегчается разборка оборудования и его чистка по завершении испытания.

Заполнить чашку для пробы пробой бурового раствора без газа.

Примечание: Попадание воздуха приводит к искажениям показаний.

Закрыть чашку реторты крышкой; медленно завернуть крышку.

Примечание: Удостоверьтесь, чтобы небольшое количество анализируемой пробы вышло через вытяжное отверстие в крышке.

Вытереть излишки раствора и ввинтить чашку реторты для пробы в верхнюю камеру реторты.

Поместить реторту в блок изолятора и поставить на место крышку изолятора.

Поставить мерный ресивер под слив конденсатора.

Нагревать пробу до тех пор, пока из трубки слива конденсатора перестанет выходить жидкость, или до тех пор, пока не погаснет контрольная лампочка на блоках, регулируемых с помощью термореле.

Примечание: Обычно это занимает от 45 до 60 минут.

Убрать мерный ресивер и осмотреть полученную жидкость.

Что делать если	Действия
в жидкости присутствуют твердые частицы	Исходный буровой раствор выкипел из чашки для образца и испытание необходимо повторить.
имеется эмульсионный слой	Медленно нагреть мерный ресивер до 120°F (49°C).

 

Дать мерному ресиверу остыть до температуры примерно 80°F (27°C).

Считать и записать объемы нефти, или синтетических веществ и воды в мерном ресивере.

Рассчитать объемный процент содержания жидкой и твердой фазы в растворе.

% по объему воды = мл воды ´ 10

% по объему нефти/синтетических веществ = мл нефти/синтетических веществ ´ 10

% по объему общей твердой фазы = 100 - % по объему воды - % по объему нефти/синтетических веществ

Если раствор представляет собой раствор на нефтяной основе или синтетический раствор, рассчитать водонефтяной фактор (OWR) или соотношение синтетических веществ и воды (SWR).

 

 

 

водная фракция = 100 – фракция нефти/синтетич. веществ

OWR = нефтяная фракция: водная фракция

SWR =фракция синт.веществ:водяная фракция

Рассчитать объемный процент нерастворенной твердой фазы.

% по объему нераств. тв. фазы = % по объему общей тв. фазы - % по объему растворенной тв. фазы

Примечание: Расчет раств. тв. фазы для растворов на нефт. основе или синтетических растворов выполнять с учетом расчетов солености водной фазы. Расчет для растворов на водной основе выполнять с учетом расчетов содержания хлоридов.

Рассчитать объемный процент рассола.

% по объему рассола = % по объему воды + % по объему раств. тв. фазы

Рассчитать средний удельный вес твердой фазы (ASG).

 

Примечание: Расчет для растворов на нефт. основе выполнять с учетом расчетов солености водной фазы для плотности рассола sg. Расчет для растворов на водной основе выполнять с учетом расчетов содержания хлоридов для sg рассола.

Рассчитать объемный процент твердой фазы малой плотности (LGS).

 

Рассчитать LGS в lb/bbl.

LGS в lb/bbl = % LGS ´ уд.вес LGS ´ 3,505

Рассчитать объемный процент тяжелой фракции твердой фазы (утяжелителя).

% по объему утяжелителя = % по объему нераств. тв. фазы - % по объему LGS

Рассчитать содержание утяжелителя, в lb/bbl.

lb/bbl тяж. фракции тв. фазы (утяжелителя) = % утяжелителя ´ sg утяжелителя ´ 3,505