Το κίνητρο της παρούσας εργασίας είναι η μελέτη των μηχανισμών καταβύθισης μέσω της in-situ ανάμειξης και καταβύθισης δυσδιάλυτων αλάτων( ανθρακικό ασβέστιο) πάνω στις επιφάνειες αλλά και κατά μήκος των πορώδων υλικών.
Οι επικαθίσεις δυσδιάλυτων αλάτων σε πορώδη σχηματισμούς, αποτελεί ένα σημαντικό πρόβλημα σε βιομηχανικές εφαρμογές. Για παράδειγμα, στην παγκόσμια βιομηχανία πετρελαίου και φυσικού αερίου πολλές περιοχές άντλησης πετρελαίου αντιμετωπίζουν τεράστιο πρόβλημα επικαθίσεων αλάτων, με αποτέλεσμα την δραματική μείωση της παραγωγής πετρελαίου. Επιπλέον, προβλήματα εναπόθεσης αλάτων μειώνουν την εκμετάλλευση γεωθερμικής ενέργειας, τη διάρκεια ζωής μεμβρανών αφαλάτωσης, καθώς και την απομόνωση του CO2 σε υπόγεια πηγάδια, κτλ. Οι επικαθίσεις αλάτων σε πηγάδια άντλησης πετρελαίου προέρχονται είτε από απευθείας καταβύθιση των διαλυμένων αλάτων που βρίσκονται στο νερό που υπάρχει σε υπόγειες κοιλότητες και καταβυθίζονται εξαιτίας της διαφοροποίησης των τοπικών συνθηκών(κυρίως πίεσης και θερμοκρασίας), είτε από τις μεγάλες ποσότητες νερού που χρησιμοποιείται για την εκτόπιση του πετρελαίου στα πηγάδια παραγωγής.
Ένα από τα σημαντικότερα προβλήματα που αντιμετωπίζουν οι εταιρίες εξόρυξης πετρελαίου είναι οι μειωμένοι ρυθμοί άντλησης λόγω της μείωσης του τοπικού πορώδους και της διαπερατότητας από τη δημιουργία και την ανάπτυξης επικαθίσεων στα πηγάδια εξόρυξης. Οι επικαθίσεις αλάτων μπορούν επιπλέον να φράξουν τις σωληνώσεις ή να σχηματίσουν ένα λεπτό στρώμα στα τοιχώματα των σωληνώσεων που χρησιμοποιούνται στην παραγωγή. Ο σχηματισμός επικαθίσεων έχει σαν αποτέλεσμα την δημιουργία λειτουργικών προβλημάτων και δυσκολιών, που οδηγούν σε επιπλέον κόστος και σε εξαιρετικές περιπτώσεις στην εγκατάλειψη του πηγαδιού άντλησης πετρελαίου.
Αρχικά έγινε μελέτη της αυθόρμητης καταβύθισης του ανθρακικού ασβεστίου σε αντιδραστήρες διαλείποντος έργου. Μελετήθηκε επίσης και η επίδραση της ίδιας ποσότητας άμμου σε διαφορετικούς αρχικούς υπερκορεσμούς κατά την αυθόρμητη καταβύθιση του ανθρακικού ασβεστίου. Καθ’ όλη τη διάρκεια των πειραμάτων συλλέγονταν δείγματα από τον αντιδραστήρα και ανιχνευόταν η μείωση της συγκέντρωσης των ιόντων ασβεστίων με τη μέθοδο της ατομικής απορρόφησης. Από τη μείωση της συγκέντρωσης των ιόντων ασβεστίου υπολογίστηκε ο ρυθμός καταβύθισης και στη συνέχεια η φαινόμενη τάξη της αντίδρασης και η σταθερά ταχύτητας. Σε όλα τα πειράματα ανιχνεύτηκε με περίθλαση ακτίνων Χ και ηλεκτρονική μικροσκοπία σάρωσης, ο ασβεστίτης ως η μοναδική καταβυθιζόμενη φάση.
Κατά την αυθόρμητη καταβύθιση του ανθρακικού ασβεστίου απουσία άμμου, ο κύριος μηχανισμός καταβύθισης βρέθηκε ότι είναι η επιφανειακή διάχυση των δομικών μονάδων σε κατάλληλες θέσεις στην επιφάνεια των κρυστάλλων, ενώ στα πειράματα παρουσία ποσότητας άμμου οι κρύσταλλοι αναπτύσσονται με βάση το πολυπυρηνικό πρότυπο.
Στην παρούσα εργασία μελετάται επίσης η διεργασία καταβύθισης του δυσδιάλυτου άλατος του ανθρακικού ασβεστίου (CaCO3) σε δισδιάστατα πορώδη δοκίμια Plexiglas®. Μέσω της οπτικής παρατήρησης της ανάπτυξης των επικαθίσεων, επιχειρήθηκε η εξαγωγή ποιοτικών και ποσοτικών πληροφοριών που αφορούν τους μηχανισμούς και τον τρόπο με τον οποίο αναπτύσσονται οι κρύσταλλοι ανθρακικού ασβεστίου στα τοιχώματα του προσομοιωτή πορώδους μέσου κάτω από ρεαλιστικές συνθήκες ροής, θερμοκρασίας και συγκέντρωσης. Δύο ευδιάλυτα διαλύματα χλωριούχου ασβεστίου, CaCl2, και όξινου ανθρακικού ασβεστίου, NaHCO3, αναμιγνύονταν λίγο πριν την είσοδό τους στο πορώδες μέσο με τη βοήθεια εμβολοφόρων αντλιών. Η καταβύθιση του ανθρακικού ασβεστίου λάμβανε μέρος μέσα στο πορώδες γραμμικό μέσο. Χρησιμοποιώντας ένα οπτικό μικροσκόπιο σε συνδυασμό με βιντεοκάμερα ήταν δυνατή η παρακολούθηση και η καταγραφή των κρυστάλλων που εμφανίζονταν καθώς και η ανάπτυξη τους κατά μήκος του καναλιού, στις θέσεις 2 cm, 6 cm, 8 cm και 10 cm από την είσοδο του. Σε κάθε θέση μετρήθηκε η μεταβολή του pH και της συγκέντρωσης του ασβεστίου με το χρόνο και επιπλέον καταγράφηκε ο σχηματισμός των κρυστάλλων του ανθρακικού ασβεστίου με τη βοήθεια της κάμερας του μικροσκοπίου. Για τη μέτρηση της συγκέντρωσης των ιόντων ασβεστίων χρησιμοποιήθηκε η φασματοφωτομετρία ατομικής απορρόφησης ενώ ο υπολογισμός του μεγέθους των κρυστάλλων έγινε με τη βοήθεια του προγράμματος Adobe Photoshop CS5.1. Κατά την διάρκεια του πειράματος ο υπερκορεσμός μειωνόταν κατά μήκος του καναλιού, ως αποτέλεσμα της in situ ανάμειξης των διαλυμάτων του χλωριούχου ασβεστίου και ανθρακικού νατρίου. Τέλος, κοντά στην είσοδο του καναλιού ο αριθμός και το μέγεθος των κρυστάλλων που καταβυθιστήκαν ήταν μεγαλύτερο, συγκριτικά με αυτούς που καταβυθιστήκαν κοντά στην έξοδο. / The deposition of sparingly soluble salts in porous formations is a severe problem encountered in industrial applications. For example, in international oil and gas industry many oil fields in operation face the major problem of scale which reduces dramatically oil production. Moreover, scaling problems limit the utilization of geothermal energy, the operational life of desalination membranes, in CO2 sequestration in subsoil wells, etc. Scale deposits encountered in oil fields are formed either by direct precipitation of the dissolved salts present in the formation water and precipitate because of the change of the local conditions (mainly pressure and temperature) or because of the large quantities of the injection water used for the displacement of the oil in the production wells.
In the course of scale formation and development at wellbores, both local porosity and permeability may be reduced resulting in lower oil recovery rates. Scale deposits may also block flow by clogging perforations or by forming a thick layer on the wall of the production tubing. The formation of scales may result in a series of operational problems and difficulties, and in turn, result to additional capital cost, substantial operating cost and in extreme cases in the abandonment of the oil wells.
The injection water (sea water) used in oil production is a stream most often incompatible with the well formation water. Mixing the incompatible streams interact chemically resulting in the precipitation of minerals. The high concentrations of SO42- in sea water and the low concentrations of Ba2+/Sr2+ in the formation waters constitute solutions where the concentrations of SO42- are low while the concentrations of Ca2+, Ba2+ and Sr2+ are high. Mixing of these streams, there is a high probability of CaSO4, BaSO4 and/or SrSO4 precipitation. Some of the more common ions frequently encountered in oil field waters and cause precipitation in incompatible waters are Ca2+, Ba2+, Sr2+, Fe2+, HCO3- and SO42-. In most cases, the low solubility and tenaciously adhering calcium carbonate and barium sulfate scale deposits are the most commonly salts found in well scale deposits. Knowledge of the mechanisms underlying the formation of scale deposits and the concomitant effects on the changes of the local porosity and permeability is of paramount importance for the efficient design of scale control processes.
On the other hand there are beneficial applications involving the precipitation of insoluble salts. The controlled precipitation of sparingly soluble salts may be used for the effective consolidation of unconsolidated or poorly consolidated formations, like the sandy soils or granular materials (applications: protection of cultivated soils from erosion by raining water, protection of sandy reservoirs from the intrusion of sand grains within the oil wells, waterproofing of underground constructions, e.g. tunnels or other concrete constructions, etc).
The main motivation for the present work is the investigation of the precipitation mechanisms through in-situ mixing and the precipitation of sparingly soluble salts (calcium carbonate) in porous materials. The proposed method may be applicable for the prevention of sand entrainment into well bores during oil production in poorly consolidated oil reservoirs.
In the present study two series of experiments were done in order to investigate the kinetics of calcium carbonate precipitation in batch reactors using calcium chloride and sodium bicarbonate as the initial reagents in the absence and presence of sand. In all supersaturated solutions used in the present work, the stoichiometric of total calcium ions to total bicarbonate ions was equal to 1:1. During the experiments samples were taken, filtered through membrane filters and analyzed for total calcium by atomic absorption spectroscopy.
The analysis of the kinetic data showed that in spontaneous precipitation experiments the crystals grow with spiral mechanism (n=2) and in the presence of sand kinetics data were best fitted by the polynuclear model (n>2). At the end of each experiment, the fluid suspension was filtered with a 0.22 μm filter and the solids were collected, dried at room temperature, and characterized by powder X-ray diffraction (XRD) and scanning electron microscopy (SEM).
Finally, also a series of experiments were done using two dimensional porous (Plexiglas®) medium models in which insoluble salts were nucleated from supersaturated solutions. Through the direct observation of the evolution of the deposits it was attempted to obtain qualitative and quantitative information concerning the mechanisms and pattern of deposition and growth of calcium carbonate scale on pore walls under realistic geometrical, flow, temperature and concentration conditions. Two soluble salts of calcium chloride, CaCl2, and sodium bicarbonate, NaHCO3, were mixed just before the injection point using syringe pumps. Precipitation of calcium carbonate took place within the porous medium. Using an optical microscope in combination with a video- camera it was possible to monitor crystal appearance and growth at a steady state. The growth of the calcium carbonate crystals in different positions within the etched linear porous medium as a function of time was observed. The visual observation of the crystal growth took place in different positions along the channel (2 cm, 6 cm, 8 cm and 10 cm from the inlet of the channel). In every position the changes of the pH and calcium concentration were measured and the formation of crystals was recorded through image capture. During the flow of the mixture through the channel, supersaturation decreased as a result of the in situ mixing of calcium and bicarbonate ions. As it was expected precipitation was favoured near the inlet of the cell and few crystals were precipitated near the outlet. Furthermore, the size of the crystal was bigger near the inlet of the channel in comparison to the crystals that have precipitate near the outlet of the channel.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:upatras.gr/oai:nemertes:10889/5211 |
| Date | 08 May 2012 |
| Creators | Αθανασάκου, Γεωργία |
| Contributors | Παρασκευά, Χριστάκης, Athanasakou, Georgia, Κουτσούκος, Πέτρος, Πανδής, Σπύρος |
| Source Sets | University of Patras |
| Language | gr |
| Detected Language | Greek |
| Type | Thesis |
| Rights | 6 |
| Relation | Η ΒΚΠ διαθέτει αντίτυπο της διατριβής σε έντυπη μορφή στο βιβλιοστάσιο διδακτορικών διατριβών που βρίσκεται στο ισόγειο του κτιρίου της. |
Page generated in 0.004 seconds