Отраслевой стандарт ОСТ 39-229-89
"Вода для заводнения нефтяных пластов. Определение совместимости закачиваемых и пластовых вод по кальциту и гипсу расчетным методом"
(утв. приказом Министерства нефтяной промышленности от 6 февраля 1989 г. N 100)

Дата введения 1 июля 1990 г.

Срок действия 1 января 1991 г.

Содержание

1. Методика расчета

1.1. Сущность метода

1.2. Условные обозначения

1.3. Алгоритм для вычисления осадка кальцита.

1.4. Алгоритм для вычисления осадка гипса

1.5. Нахождение порогового парциального давления, при котором не наблюдается осаждение кальцита

2. Подготовка к проведению расчета на ЭВМ

2.1. Подготовка исходных данных.

2.2. Отбор проб.

2.3. Подготовка бланков и перфорация исходных данных

3. Выходные данные программы

Приложение 1

1. Описание комплекса программ "РОСА"

2. Инструкция по эксплуатации комплекса программ "РОСА"

3. Листинги программы "РОСА"

Приложение 2 Пример расчета совместимости закачиваемой воды с пластовой водой намюрского горизонта НГДУ УФАНЕФТЬ

Настоящий стандарт устанавливает расчетный метод определения совместимости закачиваемых и пластовых вод (в дальнейшем - смешиваемых вод) по кальциту и гипсу с применением ЭВМ.

Смешиваемые воды считаются совместимыми по кальциту и гипсу, если масса образующегося при этом осадка не превышает значения, установленного с учетом коллекторских свойств пласта по ОСТ 39-225-88.

Расчетный метод позволяет прогнозировать склонность вод и их смесей к образованию осадка кальцита и гипса при температуре от 20 до 100°С и давлении от 0,1 до 20 МПа.

1. Методика расчета

1.1. Сущность метода

1.1.1. В основе расчетного метода определения совместимости смешиваемых вод по кальциту и гипсу лежит зависимость растворимости солей кальция в многокомпонентной смеси от температуры, давления и парциального давления углекислого газа.

1.1.2. Методика расчета разработана с использованием математического описания растворимости кальцита и гипса в многокомпонентной смеси, составленного на основе ранее полученных экспериментальных данных.

1.1.3. Относительная погрешность расчетного метода составляет 15%.

1.2. Условные обозначения

К - термодинамическая константа равновесия;

mNaCl - массовая концентрация солей;

γ - коэффициент активности соли в многокомпонентной смеси;

γ0 - коэффициент активности соли в воде (бинарная смесь);

J - ионная сила;

S - поправка к формуле Дебая-Хюккеля;

A, B, a - числовые коэффициенты для определения ионной силы;

Pi - функция от ионной силы;

D - дискриминант уравнения;

 - парциальное давление углекислого газа;

уi - доля соли (компонента) в полной ионной силе;

i, j, k - условное обозначение соли (числовые значения определяются количеством компонентов смеси);

Фг - функция, зависящая от ионной силы и вклада каждого компонента;

f(Z) - термодинамическая функция растворимости соли;

μi - моляльная концентрация соли;

vi - заряд иона;

 - количество кальцита в осадке;

 - массовая концентрация соответствующих ионов.

1.3. Алгоритм для вычисления осадка кальцита.

1.3.1. Термодинамическое уравнение растворимости кальцита имеет вид:

                                                                                         (1)

1.3.2. Для нахождения гаммы используют выражение

                                                                                          (2)

1.3.3. Ионную силу находят из уравнения

                                                          

                                             (3)

1.3.4. Поправку к формуле Дебая-Хюккеля находят по формуле:

                                                           (4)

1.3.5. Обозначив , массовую концентрацию ионов вычисляют по формулам:

                                                                                         (5)

                                                                          (6)

Примечание. В программе "РОСА" концентрации солей CaSO4, Na2SO4, MgSO4, , CaCl2, , MgCl2 выражены в молях на 1000 грамм воды, а концентрация солей NaCl и NaHCO3 - в молях (Na2Cl2) и  на 1000 грамм воды. Этим объясняется необходимость удвоения величин концентраций в формулах (4), (5) и (6).

1.3.6. В случае, когда в растворе присутствуют только хлорид и (или) сульфат кальция, вводят обозначение:

                                                                                               (7)

                                                                                             (8)

1.3.7. Из формул (1), (5) и (6) получают:

                                                                                              (9)

1.3.8.Сделав замену  получают:

                                                                                      (10)

Положительный корень полученного уравнения дает решение искомой задачи.

1.3.9. Дискриминант уравнения (10) равен

                                                                                                      (11)

Если Д > 0, то ,

                                                                                                           (12)

Если Д < 0, то , cos y,

Текст соответствует источнику!

                                                                                                           (13)

1.3.10. После того, как найден y, можно найти

1.3.11. В случае, когда в растворе присутствуют из солей кальция только  и (или) СаСО3 и есть карбонаты натрия и магния, вводят обозначение

Уравнение (9) принимает вид:

x3 + 6×Q2×x2 + 9×Q22×x - 2×W = 0                                                                           (14)

1.3.12. После подстановки x = у - 2×Q2 получают

y3 - 3×Q22×y - 2×(W + Q32) = 0                                                                                   (15)

1.3.13. Дискриминант уравнения (15) равен:

Д = W2 + 2×W×Q32 > 0                                                                                                (16)

Следовательно, единственный положительный корень уравнения (15) находят по формулам:

                                                                                                               

                                                                                             (17, 17a)

Отсюда X = y + 2×Q2

1.3.14. Случай, когда , можно рассматривать для обоих вариантов (см. пп. 1.3.6 и 1.3.11).

Решением является выражение

                                                                                                                   (18)

1.3.15. После того, как решение найдено по одной из формул (12), (17) или (18), результат следует подвергнуть итерации, поскольку один из коэффициентов в кубическом уравнении зависит от x.

1.3.16. В качестве начального приближения для итерационного процесса x < -f(x) используется значение x = x0 = 0,002392.

Параметр R(x0) подставляют в соответствующее кубическое уравнение, и в качестве решения последнего получают приближение для x:

x = x1

Процесс повторяют до тех пор, пока для какого-то номера n не будет выполнено условие

где E - заданное малое число, равное 2×10-6.

1.3.17. Для нахождения величины  (формулы (1) и (8)) используется аппроксимационная зависимость ее от температуры Т, полного давления Р и парциального давления углекислого газа .

1.4. Алгоритм для вычисления осадка гипса

1.4.1. Термодинамическое уравнение для константы растворимости гипса имеет вид:

              (19)

1.4.2. Величина γ01 вычисляется при В1 = 0; а01×В = 1 по формуле

                                                                                       (20)

1.4.3. Величина  вычисляется по формуле

 

                     (21)

где

1.4.4. Величина Фг (J, y2, ..., y6) вычисляется по формуле

                                              (22)

1.4.5. Через Z обозначено содержание сернокислого кальция (СаSО4) в растворе, т.е. .

1.4.6. Для решения уравнения f(Z) = 0 используют метод половинного деления. Предварительно вычисляют значение f(Z) при Z = Z0 = 5×10-9

Z1 = Z0 + Δ Z, Z2 = Z1 + Δ Z и т.д.

Шаг Δ Z в программе принят равным 0,02.

Направление поиска меняется на обратное, и шаг уменьшается вдвое при значениях Zn и Zn+1, при которых f(Zn) и f(Zn+1) имеют разные знаки.

1.4.7. Поиск может быть прекращен в следующих случаях:

найдено значение Z* такое, что f(Z*) ≤ E = 2×10-6;

последовательные приближения в пределах заданной относительной точности не различаются, т.е.  в интервале значения Z от начального до Z = 0,07 (такая концентрация CaSO4 в растворе достигнута быть не может) решения найти не удалось. В этом случае полагают Z* = 0.

1.5. Нахождение порогового парциального давления, при котором не наблюдается осаждение кальцита

1.5.1. Решение задачи сводится к поиску такого значения , при котором выполняется условие

При этом ,

где Р - полное давление в системе (пласте).

1.5.2. Для поиска  используется алгоритм, аналогичный тому, который применяют при нахождении равновесного содержания CaSO4 в растворе. Отличие состоит в том, что ведется поиск не непосредственно , а .

1.5.3. В качестве начального значения при поиске принято . Предельное значение для  равно полному давлению.

1.5.4. Условия прекращения поиска - по п. 1.4.7.

1.6. Математическое описание и комплекс программ "РОСА", приведенный в приложении 1, составлены институтом почвоведения и фотосинтеза (ИПиФ) АН СССР.

2. Подготовка к проведению расчета на ЭВМ

2.1. Подготовка исходных данных.

2.1.1. В качестве исходных данных для расчета принимаются:

1) состав смешиваемых вод;

2) соотношение вод при смешении;

3) температура системы;

4) давление в системе;

5) парциальное давление свободного углекислого газа,

2.1.2. Для расчета используют данные анализа проб воды.

2.2. Отбор проб.

2.2.1. При выборе поверхностного источника воды для заводнения отбор проб производят в пункте предполагаемого забора воды на глубине установки водозаборного устройства.

2.2.2. При использовании в качестве источника водоснабжения пластовых вод из водоносных горизонтов или вод артезианских скважин пробу воды отбирают на устье скважины.

2.2.3. Пробу воды, подготовленной для закачки в нефтяной пласт, отбирают через пробоотборный кран, расположенный после очистных сооружений на коллекторе к кустовой насосной станции.

В соответствии с ГОСТ 4979-79 пробу следует отбирать после спуска воды в течение 10 минут при полном открытии крана.

2.2.4. Пробу пластовых вод нефтяного горизонта, подлежащего заводнению, следует отбирать на устье добывающей скважины.

2.2.5. Для отбора и хранения проб применяют стеклянные или пластмассовые (полиэтиленовые, полипропиленовые, фторопластовые) сосуды. Перед отбором пробы пробоотборный сосуд ополаскивают водой, подлежащей исследованию, не менее двух раз.

2.2.6. Объем воды для выполнения всех определений должен быть не менее 1 дм3.

2.2.7. Заполнение пробоотборного сосуда следует производить под пробку. Наличие воздуха в сосуде после заполнения его водой недопустимо.

2.2.8. К каждому пробоотборному сосуду прикрепляется этикетка, на которой указывается:

1) наименование источника воды (наименование водоема или водотока, установки подготовки воды или очистного сооружения, номер скважины) и его местонахождение;

2) место и точка отбора пробы (расстояние от берега, глубина отбора, горизонт и т.д.);

3) цель исследования воды;

4) температура воды при отборе пробы;

5) дата отбора пробы (год, месяц, число, час);

6) особые условия, которые могут повлиять на качество воды;

7) должность, фамилия и подпись лица, производившего отбор.

2.2.9. Пробу воды следует анализировать в день отбора. При невозможности проведения анализа в течение 24 часов после отбора пробу пластовой воды следует поместить в термостат, установив температуру пласта. Пробы вод других источников хранят при комнатной температуре, не допуская их разгерметизации.

2.2.10. Транспортировать пробы следует в специальной таре, исключающей возможность поломки сосудов и порчу надписей на них (ящик, корзина, прочая тара с мягкой прокладкой).

2.2.11. В отобранных пробах определяется массовая концентрация:

карбонат-иона СО32- и гидрокарбонат-иона НСО3- - по РД 39-23-1055-84;

хлор-иона Cl- - по ГОСТ 4245-72;

сульфат-иона SO42- - по ГОСТ 4389-72;

ионов кальция, магния, натрия (Ca2+, Mg2+, Na+) - по РД 39-23-1055-84.

2.2.12. Средства измерений, оборудование, материалы и реактивы, применяемые при проведении анализов, - по ГОСТ 4245-72, ГОСТ 4389-72, РД 39-23-1055-84.

2.3. Подготовка бланков и перфорация исходных данных

2.3.1. Исходные данные для одного расчета заносятся в бланки по форме таблиц 1-3, выполненные в произвольном масштабе.

Числа записываются во внутренней части бланков, обведенной двойной рамкой. В каждой колонке этой части бланка должна быть записана только одна цифра.

2.3.2. Таблицу 1 заполняют следующим образом:

номер скважины - от 0 до 999;

количество смешиваемых вод - от 1 до 4;

количество вариантов смешения - от 1 до 10;

код единицы измерения концентрации ионов;

1 - мг-экв/л;

2 - г/л;

3 - моль/л;

код поиска парциального давления углекислого газа, при котором в осадке не будет кальцита :

0 - поиск не нужен;

1 - поиск нужен;

давление в системе, МПа (атм) - от 0,1 до 20,0 (от 1 до 200);

парциальное давление углекислого газа, МПа (атм);

температура системы, °С - от 20 до 100.

В графах строк 1 и 3 табл. 1 числа необходимо записывать так, чтобы последняя цифра числа находилась в последней правой колонке.

Таблица 1

Исходные данные для расчета

Таблица 2

Объемная доля вод в смеси в зависимости от варианта смешения, %

Таблица 3

В графах строк 6-8 табл. 1 и графах строк табл. 2 и 3 ставится точка. Целая часть числа должна быть записана слева от точки, а дробная - справа от нее.

2.3.3. При заполнении табл. 2 для каждого варианта смешения записывают соотношение вод (объемная доля в процентах).

Если количество смешиваемых вод меньше четырех, то в оставшихся колонках (графах) следует проставить нули.

2.3.4. В табл. 3 заносят числовые значения концентрации ионов в смешиваемых водах.

2.3.5. Общее число расчетов (т.е. количество заполненных бланков исходных данных) следует перфорировать на отдельной карте в формате УЗ по ТУ 57-7-81.

2.3.6. Затем перфорируют данные, занесенные в таблицы 1-3. Перфорации подлежит информация, помещенная внутри двойных рамок.

2.3.7. Данные табл. 1 следует перфорировать на одной карте число за числом.

2.3.8. Данные табл. 2 следует перфорировать по строкам подряд, начиная с новой строки. Незаполненные строки не должны перфорироваться.

2.3.9. Данные табл. 3 следует перфорировать по строкам подряд, начиная с новой карты.

2.3.10. Информация с табл. 1-3 может переноситься на другие носители информации (магнитные ленты, магнитные диски и др.).

3. Выходные данные программы

3.1. Выходными данными программы являются:

состав воды после смешения в исходных единицах;

ионная сила в моль/л;

минерализация смешиваемых вод в г/л;

массовая доля кальцита и гипса в осадке при заданном  в г/л;

степень насыщенности смеси вод по кальциту и гипсу;

парциальное давление углекислого газа, при котором кальцит в осадок не выпадает ().

3.2. Выходные данные используются при выборе источника водоснабжения и технологии подготовки воды, закачиваемой в нефтяной пласт.

3.3. Результативная информация (последовательность записи) имеет структуру таблиц (приложение 2).

Приложение 1

Рекомендуемое

1. Описание комплекса программ "РОСА"

1.1. Программа составлена на языке ФОРТРАН. С использованием алгоритма программа может быть переписана на другие языки (БЭЙСИК, ФОРТРАН-77) и применена для расчета на персональных компьютерах.

1.2. Комплекс программ "РОСА" предназначен для:

выявления осадкообразования при смешении природных и подготовленных вод, содержащих растворенные хлориды, сульфаты, гидрокарбонаты кальция, магния, натрия после установления в системе термодинамического равновесия;

определения количества кальцита и гипса в осадке;

вычисления порогового значения парциального давления углекислого газа , выше которого кальцит из раствора осаждаться не будет.

1.3. В комплекс программ "РОСА" входят четыре программных модуля: MAIN, BLOCK DATA, NADI, HARF.

1.4. Главная программа МАIN последовательно осуществляет:

ввод исходной информации (коды, управляющие ходом расчета, соотношение вод, температура среды, полное давление в системе, парциальное давление углекислого газа , массовые концентрации ионов кальция, магния, натрия, хлоридов, сульфатов, гидрокарбонатов);

расчет состава осадка и величины порогового  для каждого варианта смешения вод.

1.5. Расчет для каждого варианта смешения вод включает в себя:

пересчет исходных массовых концентраций компонентов в единицы измерения, принятые в программе;

расчет плотности и минерализации раствора;

пересчет молярных концентраций в моляльные;

вычисление массовой концентрации солей;

вычисление коэффициентов, зависящих от температуры и давления в системе;

расчет состава осадка при заданном давлении углекислого газа (обращение к подпрограмме NADI);

поиск порогового парциального давления углекислого газа ;

выдача результатов на печать.

Примечание. В программе "РОСА" давление в системе и парциальное давление углекислого газа заложены в атмосферах. Для перевода в систему СИ необходимо использовать переводной коэффициент (1 МПа = 10,2 атм).

1.6. Алгоритм поиска (расчета) содержится в теле подпрограммы NADI. Подпрограмма NADI на основании информации, предварительно рассчитанной в главной программе, вычисляет количество и химический состав осадка.

1.7. Вычисление f(Z) вынесено в отдельную подпрограмму HARF вследствие громоздкости соответствующих формул и необходимости неоднократного к ним обращения в используемом алгоритме.

Подпрограмма HARF, используемая подпрограммой NADI, вычисляет невязку уравнения для термодинамической константы растворимости гипса.

1.8. Подпрограмма BLOCK DAТА содержит коэффициенты эмпирических зависимостей, используемых для расчета массы кальцита и гипса.

1.9. Обозначения, принятые в программе "РОСА", приведены в таблице.

Обозначение

Наименование

Формат

NGR

Общее число расчетов

13

NB

Номер скважины

13

NMIX

Количество смешиваемых вод

11

NVAR

Количество вариантов смешения

12

NUNIT

Код единицы измерения концентрации ионов

11

NFL

Код поиска

11

PT

Давление в системе

F8.4

PCO2

Парциальное давление углекислого газа

F8.4

TEMP

Температура

F4.1

PERC

Процентное содержание воды

F5.1

GCA

Са2+

F10.4

GMG

Мg2+

F10.4

GNA

Na+

Р10.4

GCL

Cl-

F10.4

GSO4

SO42-

F10.4

GHCO3

НСО3-

F10.4

GCO3

СО32-

F10.4

EPS

Е = 2×10-6

F10.4

2. Инструкция по эксплуатации комплекса программ "РОСА"

2.1. Комплекс программ "РОСА" предназначен для работы в ОС ЕС ЭВМ.

2.2. Работа без использования личной библиотеки загрузочных модулей.

Задание имеет вид:

Рис. 17.1. Задание для работы без использования личной библиотеки загрузочных модулей

2.3. Работа с использованием личной библиотеки загрузочных модулей.

2.3.1. Необходимо создать загрузочный модуль с помощью задания:

Рис. 17.2. Задание для работы с использованием личной библиотеки загрузочных модулей

2.3.2. Если библиотека создается впервые, необходимо в управляющем операторе LKED. SYSLMOD указать DISP = (NEW, KEEP) и SPACE = (1024, (5D, 2D, I)).

2.3.3. Для выполнения расчета по программе "РОСА" используется пакет с заданием:

Рис. 18. Пакет с заданием для выполнения расчета по программе "РОСА"

3. Листинги программы "РОСА"

Рис. 19. Листинги программы "РОСА"

Рис. 20. Листинги программы "РОСА" (продолжение 1)

Рис. 21. Листинги программы "РОСА" (продолжение 2)

Рис. 22. Листинги программы "РОСА" (продолжение 3)

Рис. 23. Листинги программы "РОСА" (продолжение 4)

Рис. 24. Листинги программы "РОСА" (продолжение 5)

Рис. 25. Листинги программы "РОСА" (продолжение 6)

Рис. 26. Листинги программы "РОСА" (продолжение 7)

Рис. 27. Листинги программы "РОСА" (продолжение 8)

Рис. 28. Листинги программы "РОСА" (продолжение 9)

Рис. 29. Листинги программы "РОСА" (продолжение 10)

Рис. 30. Листинги программы "РОСА" (продолжение 11)

Рис. 31. Листинги программы "РОСА" (продолжение 12)

Рис. 32. Листинги программы "РОСА" (продолжение 13)

Приложение 2

Справочное

Пример расчета совместимости закачиваемой воды с пластовой водой намюрского горизонта НГДУ УФАНЕФТЬ

1. Исходные данные для расчета и объемная доля вод в смеси, в зависимости от варианта смешения, приводятся в соответствии с табл. 1 и 2 настоящего стандарта.

2. Ионный состав закачиваемой сточной нефтепромысловой воды (условный номер воды - 2) и пластовой воды (условный номер воды - 1) приводится в соответствии с табл. 3 настоящего стандарта.

3. Исходные данные перфорируются и вводят в память ЭВМ одновременно с самой программой (при проведении первого расчета по программе РОСА).

4. ЭВМ выдает на печать исходные данные и данные по вариантам смешения (см. распечатку):

ионный состав воды после смешения в исходных единицах;

ионную силу в моль/л;

минерализацию:

осадок кальцита и гипса при исходном ;

степень насыщенности по кальциту и гипсу;

пороговое значение .

5. Из распечатки видно, что во всех вариантах смешения вод, кроме первого, выпадает осадок.

Чтобы установить, какой вариант смешения выбрать для закачки в пласт с целью ППД, необходимо сравнить полученные результаты с табличными данными ОСТ 39-225-88 в зависимости от типа коллектора.

В данном случае для любого типа коллектора осадок кальцита значительно превышает допустимые значения количества механических примесей. Следовательно, при исходном значении парциального давления СО2 и данном типе коллектора для закачки в пласт данная вода не подходит.

6. Если в системе парциальное давление СО2 поднять до порогового значения  или выше (в распечатке ЭВМ оно дано для каждого варианта смешения), то тогда можно рекомендовать данный вариант смешения для закачки в пласт. Если специалистов заинтересует информация о ионном составе, минерализации и ионной силе в новом варианте, то его нужно пересчитать, приняв 2.

номер скважины ................................. 1

количество вод ................................... 2

количество вариантов смешения ...… 04

код единиц измерения ........................ 1

поиск РСО2 …………………………... 1

РТ (полное давление) .......................... 150.0000

РСО2 (парциальное давление СО2) ..... 0.0450

температура ...................................….. 24.0000

номер смеси

% вод в смеси

I

II

III

IV

1

100.0

0.0

0.0

0.0

2

80.0

20.0

0.0

0.0

3

70.0

30.0

0.0

0.0

4

60.0

40.0

0.0

0.0

 

Номер воды

состав воды

СА

MG

NA

CL

SО4

НСО3

СО3

1

740.0000

350.0000

2731.5999

3800.0000

21.6000

0.0

0.0

2

230.0000

130.0000

1688.0999

1950.0000

70.9000

27.2000

0.0

вариант смешения N 1

состав воды после смешения (в исх. ед.)

ионная сила, моль/л

минерализация, г/л

осадок при исх. РСО2, г/л

СА

MG

NA

Сl

SО4

карб. щелочи.

кальцит

гипс

739.9998

394.9998

2731.5991

3199.9990

21.6000

0.0

4.7012

217.8192

0.0

0.0

степень насыщенности по гипсу 0.514

вариант смешения N 2

состав воды после смешения (в исх. ед.)

ионная сила, моль/л

минерализация, г/л

осадок при исх. РСО2, г/л

СА

MG

NA

Сl

SО4

карб. щелочи.

кальцит

гипс

637.9995

305.9995

2522.8989

3429.9990

31.4600

5.4400

4.2195

198.1142

0.2120

0.0

степень насыщенности по кальциту                        0.4522 Е 01

степень насыщенности по гипсу                             0.635

даление СО2, при котором нет кальцита в осадке: 0,920 атм

при этом гипса в осадке:                                          0,0 г/л

вариант смешения N 3

состав воды после смешения (в исх. ед.)

ионная сила, моль/л

минерализация, г/л

осадок при исх. РСO2, г/л

СА

MG

NA

Сl

SO4

карб. щелочи

кальцит

гипс

586.9995

283.9998

2418.5488

3244.9990

36.3900

8.1600

3.9810

188.2617

0.3439

0.0

степень насыщенности по кальциту                          0.6335 E 01

степень насыщенности по гипсу                                0.675

давление СО2, при котором нет кальцита в осадке:  1.808 атм

при этом гипса в осадке:                                             0.0 г/л

вариант смешения N 4

состав воды после смешения (в исх. ед.)

ионная сила, моль/л

минерализация, г/л

осадок при исх. РСO2, г/л

СА

MG

NA

Сl

SO4

карб. щелочи.

кальцит

гипс

535.9995

261.9998

2314.1992

3059.9990

41.3200

10.8800

3.7440

178.4092

0.4754

0.0

степень насыщенности по кальциту                           0.7877 Е 01

степень насыщенности по гипсу                                0.703

давление СО2, при котором нет кальцита в осадке:  2.801 атм

при этом гипса в осадке:                                             0.0 г/л