Eliminación de incrustaciones de sulfato de calcio en un solo paso a alta temperatura utilizando etilendiaminotetraacetato de tetrapotasio con carbonato de potasio

Scientific Reports volumen 12, número de artículo: 10085 (2022) Citar este artículo

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Las incrustaciones de sulfato de calcio (CaSO4) han sido identificadas como una de las incrustaciones más comunes que contribuyen a varios problemas operativos graves en pozos de petróleo y gas e inyectores de agua. La eliminación de esta incrustación se considera un proceso económicamente viable en la mayoría de los casos, ya que mejora la productividad de los pozos y previene posibles daños graves al equipo. En este estudio, se utilizó un método de un solo paso que utiliza carbonato de potasio y etilendiaminotetraacetato de tetrapotasio (K4-EDTA) a alta temperatura (200 °F) para eliminar las incrustaciones de CaSO4. Las incrustaciones de CaSO4 se convirtieron en carbonato de calcio (CaCO3) y sulfato de potasio (K2SO4) utilizando un agente de conversión, carbonato de potasio (K2CO3), a alta temperatura (200 °F) y en diversas condiciones de pH. Se investigaron varios parámetros para obtener una composición de disolvente en la que se logre la eficiencia de disolución óptima, incluido el efecto del pH del disolvente, el tiempo de remojo, la concentración de K4-EDTA, la concentración de carbonato de potasio (K2CO3), el impacto de la temperatura y el efecto de agitación. Se llevaron a cabo pruebas de infrarrojos por transformada de Fourier, cristalografía de rayos X, cromatografía iónica, pruebas de estabilidad y pruebas de corrosión para probar el producto final del proceso y demostrar la estabilidad del disolvente en condiciones de alta temperatura. En la mayoría de las pruebas se obtuvo un producto de reacción (K2SO4) en diferentes cantidades y era soluble tanto en agua como en HCl. Se observó que la solución disolvente fue efectiva a pH bajo (7) y dio como resultado una cantidad insignificante de producto de reacción con una disolución de CaSO4 al 3% en peso. El disolvente de pH 10,5 fue eficaz en la mayoría de los casos y proporcionó la mayor eficiencia de disolución. El producto de la reacción ha sido caracterizado y demostrado que no es corrosivo. Tanto los disolventes de pH 7 como los de pH 10,5 mostraron una alta estabilidad a altas temperaturas y tasas de corrosión mínimas. El proceso de disolución de un solo paso demostró su eficacia y podría ahorrar potencialmente un tiempo de bombeo significativo si se implementara en funcionamiento.

La incrustación es un término común utilizado en la industria del petróleo y el gas para describir depósitos sólidos que crecen con el tiempo, bloqueando y dificultando el flujo de fluido1. La formación de incrustaciones es un problema operativo crítico en los equipos de petróleo y gas de superficie y subsuelo, ya que podría ocurrir en todas las etapas durante la producción de petróleo y gas. Los depósitos de incrustaciones alrededor del pozo obstruyen el medio poroso de la formación, haciendo que la formación sea impermeable a los fluidos. Las incrustaciones provocan el bloqueo de las perforaciones, tuberías y válvulas del pozo, lo que provoca desgaste de los equipos, corrosión y restricción del flujo, lo que reduce la producción de petróleo y gas2. Además, es una causa importante de daño a la formación tanto en pozos de inyección como de producción3,4. La formación de incrustaciones en los campos de petróleo y gas es un problema costoso debido principalmente a que causa una menor producción de petróleo y gas y requiere reemplazo frecuente de equipos de fondo de pozo, nueva perforación de intervalos productivos, nueva perforación de pozos de petróleo obstruidos y otras reparaciones necesarias para evitar sus consecuencias. Las incrustaciones causadas por carbonato de calcio, sulfato de calcio, sulfuro de hierro, sulfato de estroncio y sulfato de bario son las incrustaciones más comunes en la industria del petróleo y el gas5.

Las básculas se clasifican según su mecanismo de eliminación. Debido a la naturaleza insoluble de las incrustaciones químicamente inertes en otros productos químicos, se deben utilizar medios mecánicos para eliminar este tipo de depósito. Las incrustaciones químicamente reactivas se clasifican según su solubilidad en agua, ácido o sustancias químicas distintas del agua o el ácido. El cloruro de sodio es un ejemplo de incrustación soluble en agua que no se recomienda disolver con ácido. Las incrustaciones solubles en ácido son el tipo más común de incrustaciones. El carbonato de calcio, por ejemplo, es una incrustación ácida soluble. El carbonato de calcio se puede eliminar usando ácido clorhídrico, ácido acético, ácido fórmico o ácido sulfámico. Otras incrustaciones solubles en ácido son el carbonato de hierro, el sulfuro de hierro y el óxido de hierro (Fe2O3). Las incrustaciones de hierro también se pueden eliminar utilizando HCl y un agente secuestrante.

Se ha identificado que la principal escala que contribuye a diversas dificultades operativas graves en pozos de petróleo y gas e inyectores de agua es el sulfato de calcio. Los depósitos de incrustaciones duras de sulfato de calcio que son bien impermeables pueden limitar la permeabilidad de la formación, reduciendo la inyectividad y la productividad del pozo. La precipitación de sulfato de calcio en los equipos de fondo de pozo, como las bombas eléctricas sumergibles, puede tener un impacto negativo en el rendimiento del pozo. Debido a la sobrecarga provocada por esta precipitación, la bomba falla provocando daños importantes en sus componentes. Como resultado, son necesarias costosas reparaciones.

El sulfato de calcio cristaliza en dos formas distintas y estables. A bajas temperaturas (es decir, temperatura < 98 °C), se crea yeso (sulfato de calcio dihidrato, CaSO4·2H2O), mientras que la anhidrita, CaSO4, es la forma principal a altas temperaturas6. El yeso, la incrustación de sulfato de calcio más frecuente en los yacimientos petrolíferos, es extremadamente difícil de eliminar. Esto se debe principalmente a sus bajos límites de solubilidad en agua, que son aproximadamente 2,36 kg en 1 m3 de agua a 77 °F. A temperaturas más altas, el sulfato de calcio se vuelve cada vez más insoluble en agua, alcanzando una concentración de 1,69 kg en 1 m3 de agua a 194 °F. Además de la temperatura, los parámetros adicionales que afectan la solubilidad del sulfato de calcio incluyen el valor del pH y la presión de la solución. El sulfato de calcio, en general, es más soluble a niveles de pH bajos y presiones altas7,8.

La razón principal de la incrustación de sulfato de calcio durante estas actividades es la combinación de dos fluidos químicamente incompatibles. Por ejemplo, cuando se mezcla agua de mar inyectada que contiene una alta concentración de iones sulfato con agua de formación que contiene una alta concentración de iones calcio, el sulfato de calcio precipita después de superar su límite de solubilidad. De manera similar, la precipitación de sulfato de calcio puede ocurrir cuando las soluciones ácidas gastadas se mezclan de manera incompatible con los fluidos lavados en exceso.

Las incrustaciones de sulfato se encuentran a menudo en aplicaciones de agua de mar y son problemáticas ya que no se disuelven en ácidos. Sin embargo, se disuelven en soluciones de quelatos con un pH alto9. Se aplicaron diferentes disolventes para la disolución de incrustaciones de yeso y anhidrita. Riad et al. Usó carbonato de sodio como disolvente de yeso en una línea de producción de 8 ″ en el campo Gemsa en Egipto. El producto convertido se lavó mediante lavado posterior con HCl10 al 15% en peso. Se han empleado numerosos hidróxidos, como el hidróxido de calcio, para eliminar depósitos de yeso con diversos grados de éxito. El hidróxido disuelve el yeso y deja hidróxido de calcio, que es soluble en ácido. Aunque se ha logrado cierto éxito con los hidróxidos, su eficacia ha disminuido en algunas circunstancias debido a la acumulación de lodo de hidróxido de calcio dentro del sistema y la capa de hidróxido creada en la superficie del depósito de yeso. Además, como se indicó anteriormente, la técnica del hidróxido requiere un ácido para eliminar por lavado el precipitado de la reacción, lo que normalmente no es deseado. Lawson utilizó ácido hidroxámico para la disolución y desintegración del yeso11. Además, se han evitado las incrustaciones de sulfato de calcio dihidratado (yeso) a temperaturas que oscilan entre 104 y 194 °F utilizando éster de fosfato orgánico como inhibidor de incrustaciones12. Wang y cols. introdujeron un nuevo tipo de inhibidor de incrustaciones respetuoso con el medio ambiente, ácido acrílico, ácido oxálico, alilpolietoxicarboxilato (AA-APEM9) para la inhibición de las incrustaciones de sulfato de calcio13.

La eliminación de incrustaciones se puede realizar sin utilizar ácidos orgánicos o inorgánicos mediante la aplicación de agentes quelantes. Los ácidos son tóxicos y corrosivos para las tuberías de pozos y los equipos de fondo de pozo; por otro lado, los agentes quelantes son más respetuosos con el medio ambiente, biodegradables y tienen una baja tasa de corrosión. Como los agentes quelantes tienen un efecto leve en equipos sensibles de fondo de pozo, como las bombas eléctricas sumergibles, se recomiendan para eliminar incrustaciones inorgánicas. Se han investigado ampliamente dos agentes quelantes, el ácido etilendiaminotetraacético (EDTA) y el ácido dietilentriaminopentaacético (DTPA), en el tratamiento de las incrustaciones14,15. Rhudy analizó la eliminación de incrustaciones de calcio, bario y estroncio de los núcleos de yacimientos utilizando formulaciones de EDTA y DTPA16. Según Lakatos et al., DTPA y HEDTA fueron eficaces para disolver las incrustaciones de sulfato de bario y estroncio17. Una de las primeras aplicaciones del EDTA en el campo petrolero fue eliminar las incrustaciones de carbonato de calcio de la arenisca18. También se empleó EDTA para limpiar los tubos de calentadores de salmuera y las calderas de incrustaciones de sulfato de calcio19. Además, se empleó EDTA para limpiar conjuntos de arcilla de incrustaciones minerales de sulfato y carbonato20. Se empleó diacetato de glutamato tetrasódico (GLDA) para eliminar el yeso y se demostró que la sal de amonio superó a la sal de sodio. Athey et al. demostraron muchos usos del ácido hidroxietiliminodiacético (HEIDA) en procesos de eliminación de incrustaciones21. Se demostró que HEIDA puede almacenar más calcio que el ácido nitrilotriacético (NTA) y tuvo éxito en disolver las incrustaciones de sulfato de calcio y sulfato de bario cuando se usa junto con un agente de "conversión" de carbonato22.

Los inhibidores de incrustaciones suelen ser la técnica más rentable para la reducción del sulfato de calcio23. Sin embargo, la precipitación de sulfato de calcio requiere el uso de un tratamiento rentable. Las incrustaciones de sulfato de calcio cercanas al pozo se pueden eliminar utilizando disolventes químicos en lugar de métodos mecánicos. Se ha estudiado intensamente el uso de sales de ácidos aminocarboxílicos como método químico. La disolución del sulfato de calcio es eficaz en EDTA en comparación con otros ácidos. El sulfato de calcio se disuelve en ácidos vivos pero luego reprecipita y causa daños severos a la formación. El ácido clorhídrico no es un buen disolvente para el CaSO4. La solubilidad máxima del sulfato de calcio en HCl es solo del 1,8% en peso a 77 °F y presión atmosférica. El EDTA puede disolver yeso y anhidrita en cantidades de 43 y 34 g/L, respectivamente19. Las incrustaciones de sulfato de calcio no reprecipitan en el disolvente de EDTA. Cikes et al. utilizaron 8% de EDTA tetrasódico para eliminar el daño del sulfato de calcio en un pozo de condensado de gas de alta temperatura24.

La disolución de incrustaciones de CaSO4 fue investigada recientemente por Murtaza et al. en el que se dejó reaccionar un 5% en peso de sulfato de calcio y un 8% en peso de carbonato de potasio usando agua como disolvente en condiciones ambientales durante varias horas. El pH de la solución de reacción fue 11,6. La reacción tuvo lugar bajo agitación continua utilizando un agitador magnético. El producto de reacción se filtró y se secó durante la noche para eliminar toda el agua. Las pruebas de solubilidad se realizaron utilizando ácidos como HCl y ácido acético. La solubilidad del reactivo (sulfato de calcio) y del producto convertido (carbonato de calcio) se evaluó disolviendo una cantidad fija de sólido en 10 ml de ácido. La eficiencia de eliminación se calculó mediante la relación entre el sólido disuelto en ácido y la cantidad original de sólido añadido al ácido. Para su método, debido a que las incrustaciones de sulfato de calcio no se disuelven en ácidos como el ácido acético y el HCl, se aplicó un método de conversión en el que las incrustaciones de sulfato de calcio se convertían en carbonato de calcio haciendo reaccionar sulfato de calcio con carbonato de potasio en condiciones de pH alto. El producto resultante es soluble en la mayoría de los ácidos como el ácido acético y el HCl. Esta conversión se logró en condiciones ambientales25.

La Figura 1 muestra el porcentaje de eliminación de incrustaciones de calcio usando la conversión propuesta y disolviendo el producto convertido en ácido acético. Para el ácido acético, se disolvió en ácido 1 g del producto convertido. Usando una concentración de acético de 1% en peso y 3% en peso, la eficiencia de eliminación de incrustaciones fue de 31% y 49%, respectivamente. Cuando la concentración de ácido fue del 5% en peso, se logró una eficiencia de eliminación del 83%. La concentración óptima fue del 7% en peso para el ácido acético, donde todo el producto convertido se disolvió en ácido acético. Se observó una disolución similar a una concentración acética del 10% en peso y del 15% en peso25. La Figura 2 muestra el efecto de la concentración de HCl en la eficiencia de eliminación de incrustaciones de sulfato de calcio utilizando el método de conversión. Al igual que el ácido acético, el ácido HCl también mostró un rendimiento óptimo a una concentración del 7% en peso, donde se logró una eficiencia de eliminación del 100%.

Efecto de la concentración de ácido acético en la eliminación de incrustaciones de sulfato de calcio mediante el método de conversión de carbonato de potasio25.

Efecto de la concentración de ácido HCl en la eliminación de incrustaciones de sulfato de calcio mediante el método de conversión de carbonato de potasio25.

Hay varios estudios que investigaron el uso de soluciones de HCl y EDTA para la disolución de incrustaciones de CaSO4. Muchos de estos estudios no se realizaron en detalle y solo estudiaron parámetros limitados. En este estudio, investigamos la disolución a fondo bajo numerosos parámetros. La disolución de las incrustaciones de sulfato de calcio se investigó convirtiéndola en un producto soluble en ácido usando un agente de conversión, carbonato de potasio (K2CO3) y ácido EDTA tetrapotásico (K4) como agente quelante a temperatura elevada (200 °F). La alta temperatura se utiliza para simular las condiciones del yacimiento o del fondo del pozo cuando se utiliza este disolvente en operación. La conversión y disolución se realizó en un solo paso, sometiendo el sulfato de calcio a un mezclador que contenía K4-EDTA y K2CO3. Se variaron diferentes parámetros para investigar la eficiencia de la disolución, incluido el efecto del pH del disolvente, el tiempo de remojo, la concentración de K4-EDTA, la concentración de K2CO3, el impacto de la temperatura y el efecto de agitación. Se realizaron caracterizaciones infrarrojas por transformada de Fourier (FTIR) y cristalografía de rayos X (XRD), pruebas de estabilidad y pruebas de corrosión para probar el producto final y mostrar la estabilidad del disolvente en condiciones de alta temperatura. Además, se utilizó la técnica de cromatografía iónica (IC) para medir la concentración de iones calcio en la solución disuelta de CaSO4 con diferentes concentraciones.

El sulfato de calcio (CaSO4, anhidro) se obtuvo de un proveedor (Thermo Fisher Scientific) con una pureza del 99 %. El agente de conversión, K2CO3 anhidro, fue suministrado por Thermo Fisher Scientific con una pureza superior al 99 %. El EDTA tetrapotásico (C10H12K4N2O8) fue suministrado por la empresa Dayang chem (Hangzhou). El pH del disolvente se ajustó usando hidróxido de potasio (KOH) que se adquirió de Sigma Aldrich. Las soluciones se prepararon utilizando agua desionizada (DI) del sistema MilliQ.

En este método, el sulfato de calcio (CaSO4) se convirtió en carbonato de calcio (CaCO3) utilizando un agente de conversión, carbonato de potasio (K2CO3), a altas temperaturas (200 °F) y en varias condiciones de pH alto (7, 10,5 y 12,5). dando como resultado sulfato de potasio (K2SO4) que se considera un sólido blanco soluble en agua. La fuente del pH alto es el hidróxido de potasio (KOH). En este estudio se priorizó el carbonato de potasio (K2CO3) sobre el carbonato de sodio (Na2CO3) debido a su alta estabilidad térmica y solubilidad a alta temperatura. La reacción química es la siguiente:

De la reacción Ec. (1), se puede observar que el EDTA y el agente de conversión convierten el CaSO4 en un producto ácido o soluble en agua. El agente quelante compleja los iones Ca de las incrustaciones y los iones SO4 disociados en la solución. El agente de conversión es soluble en agua y se disocia en iones K e iones CO3 en la solución. Los iones K tienen una fuerte afinidad por los iones SO4 y producen K2SO4, un compuesto soluble en agua. Los iones Ca se combinan con los iones CO3 y se convierten en CaCO3, un compuesto soluble en ácido.

Como disolvente se utilizó EDTA tetrapotásico, un agente quelante. La conversión y disolución se realizó en un solo paso, sometiendo el sulfato de calcio a un disolvente que contenía K4-EDTA y el K2CO3.

Para comenzar, se combinaron K4-EDTA y K2CO3 y se ajustó el pH al valor requerido usando KOH. Los grupos carboxilo del EDTA no se disocian a pH bajo. El EDTA generalmente se disuelve agregando NaOH o KOH al EDTA. Cuando el pH aumenta, se disocia más carboxilo (COO–), liberando protones (H+) a la solución. El EDTA disociado es iónico y, por tanto, soluble en agua. El carboxilo no disociado (COOH) no tiene carga porque el hidrógeno está unido covalentemente y, por lo tanto, el EDTA ácido es casi insoluble en agua.

Se añadió CaSO4 a la solución del disolvente y se incubó a una temperatura de 200 °F durante diferentes intervalos de tiempo (3, 6, 12 y 24 h). El experimento se llevó a cabo en un agitador magnético bajo cizallamiento continuo de 300 rpm. Al final del período de remojo, el producto de reacción se filtró y se secó durante la noche a 176 °F. La eficiencia de disolución se calculó utilizando la ecuación. (2).

Para evaluar la solubilidad del producto de reacción, se disolvió en HCl al 15% y agua desionizada. La solubilidad del CaSO4 se investigó bajo diversas variables que incluyeron pH, concentración de escala de CaSO4, concentración de EDTA, concentración de K2CO3, temperatura y tiempo de remojo. La Tabla 1 muestra los parámetros de prueba y los valores utilizados en el estudio. Además de las pruebas de solubilidad, se investigaron la estabilidad de los disolventes y el potencial de corrosión. La Figura 3 proporciona un diagrama de flujo del estudio.

Diagrama de flujo del estudio de eliminación de escala de un solo paso.

La espectroscopia infrarroja de transmisión de Fourier (FTIR) del producto de reacción se realizó utilizando el espectrómetro FT-IR INVENIO de BRUKER mediante la técnica ATR. La técnica FTIR se realiza para conocer el grupo funcional presente en el producto de reacción. Se realizó en un rango de longitud de onda (4000–405) cm-1.

Además, se realizó un análisis de difracción de rayos X (DRX) para confirmar la composición del producto de reacción. El análisis XRD del producto sólido de reacción se estudió utilizando Powder XRD, PANanalytical Empyrean. Las muestras se escanearon en el rango 2θ de 0° a 70° a una velocidad de escaneo de 1°/s.

En este estudio, las incrustaciones de sulfato de calcio se disolvieron mediante un proceso de conversión. El sulfato de calcio se transformó en un producto soluble en ácido y agente quelante usando un agente de conversión, carbonato de potasio. Se realizaron una serie de pruebas en diversas condiciones para determinar las concentraciones óptimas de K2CO3 y K4-EDTA para disolver el CaSO4.

CaSO4 tiene una solubilidad muy limitada en ácidos como el HCl. Comúnmente se convierte en un producto soluble en ácido usando carbonato o bicarbonatos. El producto convertido se puede disolver fácilmente en HCl u otros ácidos.

Para confirmar la conversión, se mezcló CaSO4 al 5% en peso con K2CO3 al 5% en peso con una solución de pH de 11,6 y se remojó durante 24 h a 200 °F. Al final del período de remojo, se obtuvo una solución de color lechoso (Fig. 4A). El producto de reacción se filtró y se disolvió en ácido clorhídrico (HCl) al 15% en peso. El producto de reacción se disolvió completamente en HCl. Demuestra que CaSO4 se convirtió durante el remojo en presencia de K2CO3 en CaCO3, que es soluble en ácido como se muestra en la Fig. 4B.

(A) La solución después de la reacción entre CaSO4 y K2CO3, (B) La disolución del producto de reacción en una solución de HCl al 15% en peso.

Posteriormente, se mezcló CaSO4 en una solución de disolvente preparada con K2CO3 y 20% en peso de EDTA. La disolución se evaluó bajo diferentes variables, como se muestra en la Tabla 1. El disolvente convirtió y disolvió CaSO4. El producto de reacción se obtuvo en la mayoría de las pruebas realizadas con disolventes de alto pH (Fig. 5A). El producto de reacción fue de color blanco y mostró solubilidad en agua y HCl, como se muestra en la Fig. 5B.

(A) Producto de reacción durante el remojo, (B) Producto de reacción después de la filtración (polvo blanco).

El producto de la reacción se analizó disolviéndolo en una solución de agua y HCl. Se encontró que era soluble tanto en agua como en HCl. Además, se observó que el producto de reacción aumentó el pH de la solución después de la disolución, lo que indica que el producto final fue en realidad K2SO4 producido como resultado de que el disolvente estaba excesivamente saturado con KOH.

Este estudio investigó el efecto del tiempo de remojo para obtener el tiempo óptimo para la máxima disolución. El efecto del tiempo de remojo se investigó realizando la disolución de CaSO4 al 5% en peso en dos disolventes que difieren en pH (7 y 10,5) a 200 °F. Las concentraciones de agente de conversión y EDTA fueron del 5% en peso y del 20% en peso, respectivamente. La Figura 6 proporciona los resultados. Se observó que el aumento en el tiempo de remojo no mejoró la disolución: la disolución máxima se logró en tres horas para un disolvente de pH 10,5. Para el disolvente de pH 7, la eficiencia no mejoró y se mantuvo en el rango de 90 a 92%. Basándose en esta investigación, en la mayoría de las pruebas se seleccionó tres horas como tiempo de remojo.

Efecto del tiempo de remojo (3, 6, 12 y 24 h) sobre la disolución de CaSO4 a 200 °F.

El pH del disolvente tiene un impacto en la disolución de CaSO4. La Figura 7 proporciona la eficiencia de la disolución con respecto al cambio de pH. Todos los disolventes probados tenían la misma formulación pero difieren en el pH (7, 10,5 y 12,5). Los disolventes estaban compuestos por 20% en peso de K4-EDTA y 5% en peso de K2CO3. La prueba de disolución se realizó con CaSO4 al 3% en peso a 200 °C durante 6 h como tiempo de remojo. Se observó que todos los disolventes disolvieron las incrustaciones de CaSO4 en el tiempo de remojo a alta temperatura. Después de la disolución, las soluciones se mantuvieron a temperatura ambiente durante 24 h. Hubo precipitado en 10,5 y 12,5 disolventes. Por otro lado, no se observaron precipitados en el disolvente de pH 7 (Fig. 8). Con un disolvente de pH 7, el efecto combinado del ataque de iones de hidrógeno y la quelación acelera la disolución. La velocidad de disolución del sulfato de calcio varía significativamente con el pH y el tipo de agente quelante debido a las variaciones en el estado iónico del agente quelante y el impacto del ataque de iones de hidrógeno4.

El efecto del pH del disolvente sobre la disolución de CaSO4 al 3% en peso.

Solución final al finalizar la prueba.

La Figura 9 proporciona la eficiencia de disolución de la escala CaSO4 con respecto a sus concentraciones disueltas en diferentes soluciones de pH (7, 10,5 y 12,5). Se observó que la eficiencia de la disolución disminuyó con el aumento de la concentración de CaSO4 en cada solución del disolvente. Por ejemplo, el disolvente de pH 7 proporcionó una disolución del 100 % a concentraciones de CaSO4 de 1 % en peso y 3 % en peso. Al 5% en peso, la eficiencia de disolución disminuyó al 90,3%. Se observó un comportamiento similar en otras soluciones disolventes de alto pH a diferentes concentraciones de CaSO4. Para el disolvente de pH 10,5, mostró un mejor rendimiento que otros disolventes. Disolvió CaSO4 completamente hasta un 5% en peso. Un mayor aumento de la concentración dio como resultado una reducción de la eficiencia debido al exceso de CaSO4. Al 5% en peso, se observó que el disolvente de pH 10,5 funcionó mejor que el disolvente de pH 7, por lo que la concentración añadida de CaSO4 se prueba frente a los disolventes de pH 10,5 y 12,5. Al 7% en peso, se observó que el disolvente de pH 12,5 funcionó mejor que el disolvente de pH 10,5 y, por lo tanto, se probó el aumento de concentración (9%) frente al disolvente de pH 12,5.

Eficiencia de disolución versus concentración de CaSO4 a diferentes disolventes de pH.

El producto de reacción obtenido de la disolución de CaSO4 al 5% en peso en disolventes de pH 7 se analizó mediante XRD. La Figura 10 muestra el espectro XRD del producto de reacción. Era una mezcla de hidrato de sulfato de calcio y potasio. A partir de la XRD quedó claro que el disolvente de pH 7 no podía convertir el CaSO4 en ácido o en un producto soluble en agua. Posteriormente, se investigó la solubilidad del producto final en agua. Se observó que la adición de 1 g/100 ml de producto final en agua produjo una solución de color lechoso con algunos precipitados en el fondo del vial (Fig. 11A). Un aumento adicional en la concentración del producto de reacción a 3 g/100 ml proporcionó más precipitaciones (Fig. 11B).

Espectro XRD del producto de reacción después de la disolución de CaSO4 al 5% en peso en un disolvente de pH 7 y remojo a temperatura ambiente.

Solubilidad del producto final en agua.

La Figura 12 muestra la FTIR del producto de reacción obtenido de la disolución de CaSO4 al 5% en peso en un disolvente de pH 10,5. Los fuertes picos de transmitancia se observaron a 1100 cm-1, lo que representa el estiramiento (C-O). El tramo a 613 cm−1 mostró el grupo funcional C – X (haluro). El FTIR medido del producto de reacción concuerda con el FTIR de la literatura26.

FTIR del producto de reacción para CaSO4 al 5% en peso disuelto en un disolvente de pH 10,5.

La Figura 13 muestra el patrón XRD del producto de reacción obtenido al final de la prueba de eliminación de incrustaciones. El patrón XRD también concuerda con la literatura27. De ambos análisis se encontró que el producto de la reacción era K2SO4. El K2SO4 se disuelve total y rápidamente en agua28. El K2SO4 se puede eliminar enjuagando con agua después del período de remojo.

Espectro XRD del producto de reacción después de la disolución de CaSO4 al 5% en peso en un disolvente de pH 10,5.

El disolvente de pH 10,5 es capaz de convertir el 7% en peso de CaSO4 en un producto soluble en agua. El producto final se evaluó a partir de XRD y se diagnosticó que el sulfato de potasio (arcanita) era el producto de reacción principal (Fig. 14). El producto de reacción se disolvió completamente en agua como se muestra en la Fig. 15.

La XRD del producto de reacción resultó de una disolución de CaSO4 al 7% en peso en un disolvente de pH 10,5.

Solubilidad del producto de reacción en agua después de la disolución de CaSO4 al 7% en peso en un disolvente de pH 10,5.

El disolvente de pH 12,5 mostró una baja eficiencia para concentraciones de CaSO4 del 5% en peso y posteriores, como se muestra en la Fig. 7. Hubo una reducción apreciable en la eficiencia de la disolución al 5% en peso y posteriores. Resultó en una alta concentración de producto de reacción al final del período de remojo. El producto de la reacción se analizó analíticamente utilizando la técnica XRD y se encontró que el sulfato de potasio era el producto principal en una disolución de CaSO4 al 5% en peso, como se muestra en la Fig. 16.

Espectro XRD del producto de reacción después de la disolución de CaSO4 al 5% en peso en un disolvente de pH 12,5 a 200 °F.

El producto de reacción se disolvió en agua a diferentes concentraciones. Se disolvió completamente en agua hasta 6 g/100 ml (Fig. 17A-C). A una concentración de 8 g/100 ml, el producto de reacción alcanzó la saturación y precipitó en el fondo de la solución (Fig. 17D). La reacción que resultó con un 9% en peso de CaSO4 mostró disoluciones incompletas y dio como resultado diferentes compuestos al final del período de remojo, como se muestra en la Fig. 18.

Solubilidad del producto de reacción en agua.

Espectro XRD del producto de reacción después de la disolución de CaSO4 al 9% en peso en un disolvente de pH 12,5 a 200 °F.

Para investigar la eficiencia de disolución del disolvente de pH 10,5, se disolvieron varias concentraciones de CaSO4 (3, 5, 7, 9 y 12)% en peso y se mantuvieron a 200 °F durante 6 h. Los productos de la reacción se filtraron al final del tiempo de remojo, como se muestra en la Fig. 19. Se observó que existe un efecto de la concentración sobre la eficiencia de la disolución. La cantidad de producto de reacción aumenta con el aumento de la concentración de CaSO4, lo que muestra una reducción en la eficiencia de la disolución.

Productos de reacción tras la disolución de CaSO4 a diferentes concentraciones.

Además, las concentraciones de iones de calcio se midieron aplicando la técnica de cromatografía iónica (IC). Se observó que las concentraciones de iones de calcio aumentaron con el aumento de la concentración de CaSO4. La tendencia ascendente se observó hasta el 9% en peso. Al 12% en peso, hubo pocos cambios en la disolución de los iones de calcio y la curva alcanzó su meseta. Las concentraciones de iones de calcio disueltos fueron 13,117 mg/l y 14,034 mg/l al 9% en peso y al 12% en peso, respectivamente (Fig. 20).

Concentraciones de iones de calcio en soluciones disueltas de CaSO4 (3, 5, 7, 9 y 12)% en peso.

La Figura 21 muestra el efecto de la concentración de K4-EDTA sobre la disolución de CaSO4. En este estudio, la concentración de CaSO4 se mantuvo al 5% en peso. La prueba se realizó a 200 °F durante 6 h usando un disolvente de pH 10,5. Se observó que la eficiencia de disolución se mantuvo al 100% para concentraciones de K4-EDTA de 10% en peso y 20% en peso. Un aumento adicional de la concentración al 30% en peso redujo la eficiencia de la disolución al 84%. A una concentración alta de EDTA, los sólidos permanecieron al final del período de remojo de 3 h.

Eficiencia de disolución vs. concentración de K4-EDTA.

La concentración del convertidor tiene un impacto en la solubilidad de las incrustaciones. La Figura 22 muestra el efecto de la concentración de K2CO3 sobre la disolución de CaSO4. En esta parte, la concentración de CaSO4 se mantuvo al 5% en peso. La prueba se realizó a 200 °F usando un disolvente de pH 10,5. La concentración de EDTA fue del 20% en peso en todas las soluciones. Sólo la concentración de K2CO3 se varió del 3 al 10% en peso. Se observó que el K2CO3 afectó la eficiencia de la disolución. La eficiencia de la disolución varió con un cambio en la concentración. La disolución óptima se observó al 5% en peso de K2CO3. Un mayor aumento de la concentración no cambió la eficiencia, pero mostró ineficacia a altas concentraciones. La eficiencia de disolución al 7% en peso y al 10% en peso fue del 87% y 90%, respectivamente.

Eficiencia de disolución vs. concentración de K2CO3.

La temperatura tiene un impacto menor en la eficiencia de disolución de CaSO4 para los disolventes probados, como se muestra en la Fig. 23. El estudio se realizó a dos temperaturas diferentes (75 °F y 200 °F). Se observó un impacto insignificante de la temperatura sobre la disolución. Por ejemplo, la eficiencia de la disolución aumentó ligeramente del 88,50% al 90,3% para el disolvente de pH 7 después de que la temperatura aumentó de 75 a 200 °F. Para pH 10,5, la eficiencia de disolución fue del 100 % a 75 °F y 200 °F. Para pH 12,5, no se observaron cambios en la eficiencia de la disolución.

Efecto de la temperatura sobre la eficiencia de disolución para diferentes soluciones de disolución de pH.

Para el disolvente de pH 10,5, disolvió incrustaciones de CaSO4 a baja y alta temperatura. En la disolución a alta temperatura, cuando la temperatura de la solución alcanzó la temperatura ambiente, se produjeron precipitaciones. Para temperaturas bajas no se observaron precipitaciones.

Además, la prueba se realizó en condiciones estáticas sin agitación. No se observaron diferencias apreciables entre las muestras agitadas y no agitadas. Se disolvió completamente 3% en peso de CaSO4 en escenarios con agitación y sin agitación.

Además, se investigó la disolución en agua dulce del grifo. El disolvente de pH 10,5 se mezcló en agua del grifo en lugar de agua DI. El agua del grifo tiene altas concentraciones de iones Ca y Mg en comparación con el agua DI. Se disolvió el 5% en peso de CaSO4 y se comparó su rendimiento con el disolvente preparado con agua desionizada. Se observó que el disolvente preparado con agua del grifo dio como resultado una eficiencia de disolución del 100 % a 200 °F, igual que el disolvente preparado con agua desionizada. Después de la disolución, la solución se mantuvo a temperatura ambiente y también se produjo precipitación en un disolvente mixto con agua del grifo.

La prueba de estabilidad se realizó para investigar cualquier cambio físico o químico en la solución del disolvente a lo largo del tiempo en condiciones de alta temperatura. En esta prueba, dos productos disolventes que difieren en pH se colocaron bajo una temperatura alta de 248 °F durante tres días.

Se observó que no hubo ningún cambio físico en las soluciones aparentemente antes y después de la exposición a alta temperatura, como se muestra en la Fig. 24A, C. Las soluciones no mostraron ninguna precipitación ni cambio de color después de 3 días. Además, se hizo una observación interesante con respecto al disolvente de pH 10,5 cuando se colocó en condiciones ambientales durante 24 h después de la exposición a alta temperatura. El color de la solución cambió a turbio con un precipitado en el fondo del tubo de ensayo (Fig. 24D). La solución de disolución de pH 7 no produjo ningún precipitado después de mantenerla a temperatura ambiente, como se muestra en la Fig. 24B.

Pruebas de estabilidad de disolventes a 248 °F.

Las pruebas de corrosión se utilizan típicamente para determinar la corrosividad de los ácidos utilizados en la industria del petróleo y el gas para garantizar que no corroerán las tuberías ni las herramientas de terminación de fondo de pozo debido a su alta tasa de corrosión. Además, garantiza que el ácido no cause daños al equipo utilizado para mezclar e inyectar productos químicos en pozos o líneas de flujo superficiales. La prueba determina el efecto del fluido sobre una muestra de acero hecha de material de tubería flexible calculando la tasa de corrosión después de remojar las muestras de acero en los fluidos a una temperatura de 149 °F durante 24 h usando una celda de corrosión OFITE. Las pruebas de corrosión se realizaron en cupones de acero (1/16 ″ × ¾ ″ × 3 ″) utilizando agua desionizada y dos soluciones de disolución. Las soluciones de disolución tienen formulaciones idénticas pero difieren en los valores de pH (7 y 10,5). La prueba controlada se realizó utilizando agua desionizada como referencia.

Se observó que el agua desionizada resultó en una alta corrosión de 3.73 lbs/ft2/año en comparación con las soluciones de disolución, como se muestra en la Tabla 2. El cupón empapado en agua mostró marcas claras de corrosión y su peso se redujo (Fig. 25). La corrosión causada por el agua fue superior al valor límite máximo recomendado de 2 lbs/ft2/año. El agua desionizada carece de iones y tiene más hambre de iones. A veces se encuentra que el pH del agua desionizada es ligeramente ácido. El agua con bajo pH causa corrosión en el acero al carbono al entrar en contacto. Esta podría ser la razón de la alta tasa de corrosión observada en el agua DI. Además, se observó que ambos disolventes dieron como resultado una tasa de corrosión baja y la corrosión estaba en el límite seguro (< 2 libras/pie2/año). El disolvente de pH 10,5 proporcionó una mejor protección contra la corrosión ya que provocó la tasa de corrosión más baja (0,58 lbs/pie2/año) en comparación con otras soluciones.

Cupones de corrosión después de remojar en soluciones durante 24 h.

En este estudio, se investigó la eliminación de incrustaciones de sulfato de calcio mediante un método de un solo paso que utiliza carbonato de potasio y K4-EDTA a alta temperatura. Se investigaron varios parámetros para obtener una composición de disolvente en la que se obtuviera una eficiencia de disolución óptima, incluido el efecto del pH del disolvente, el tiempo de remojo, la concentración de K4-EDTA, la concentración de K2CO3, la concentración de CaSO4, el impacto de la temperatura y el efecto de agitación. Las siguientes son las conclusiones que se extrajeron de este estudio:

El método de un solo paso que formó una solución de disolución que contenía K2CO3 y K4-EDTA, disolvió eficientemente las incrustaciones de CaSO4 en condiciones de alta temperatura (200 °F) formando un producto de reacción (K2SO4) que es soluble tanto en agua como en HCl.

En la mayoría de las pruebas realizadas a pH alto se produjo precipitación de agua o producto soluble en ácido.

Hubo un efecto notable del pH sobre la concentración soluble de CaSO4. Hasta un 3% en peso (30 g/l) de CaSO4 se disolvió completamente en un disolvente de pH 7, mientras que un 5% en peso (50 g/l) solo se disolvió en un disolvente de pH 10,5 sin precipitación ni cristalización a una temperatura de 200 °F.

La tasa de corrosión más baja se observó en disolventes de pH 7 y 10,5 en comparación con el agua.

Ambos disolventes fueron efectivos y mostraron una alta estabilidad a una temperatura de 248 °F.

El producto final del proceso de conversión de un solo paso se ha caracterizado y ha demostrado que no tiene efectos nocivos y que se puede disolver rápida y completamente en agua.

El proceso de disolución de un solo paso mostró efectividad y podría potencialmente ahorrar un tiempo de bombeo significativo si se implementara en operación.

Los conjuntos de datos utilizados y/o analizados durante el estudio actual están disponibles del autor correspondiente previa solicitud razonable.

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Los autores de este artículo reconocen y aprecian mucho a la Universidad Rey Fahd de Petróleo y Minerales (KFUPM) por el apoyo para publicar este trabajo.

Centro de Investigación Integrativa del Petróleo (CIPR), Universidad Rey Fahd de Petróleo y Minerales, Dhahran, 31261, Arabia Saudita

Mobeen Murtaza y Muhammad Shahzad Kamal

Departamento de Ingeniería del Petróleo, Universidad Rey Fahd de Petróleo y Minerales (KFUPM), Dhahran, 31261, Arabia Saudita

Sulaiman A. Alarifi y Mohamed Mahmoud

Petroleum and Energy Logistics and Services Co. (Petrogistix), Al-Khobar, 34227, Arabia Saudita

Mohammed Yousef Rasm y Mohammed Al-Ajmi

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SA, MM (Mohamed Mahmoud) y MA contribuyeron a la concepción y planificación del estudio. SA, MK, MM (Mohamed Mahmoud) y MA organizaron y supervisaron el trabajo. MM (Mobeen Murtaza) y MR realizaron los experimentos. MM (Mobeen Murtaza) y SA realizaron análisis y representación de datos. MM (Mobeen Murtaza) y SA escribieron el primer borrador del manuscrito. Todos los autores contribuyeron a la revisión del manuscrito, leyeron y aprobaron la versión enviada.

Correspondencia a Sulaiman A. Alarifi.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Murtaza, M., Alarifi, SA, Rasm, MY et al. Eliminación de incrustaciones de sulfato de calcio en un solo paso a alta temperatura utilizando etilendiaminotetraacetato de tetrapotasio con carbonato de potasio. Representante científico 12, 10085 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-14385-6

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Recibido: 05 de abril de 2022

Aceptado: 06 de junio de 2022

Publicado: 16 de junio de 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-14385-6

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