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

Dec 18, 2023Dec 18, 2023

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

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Las incrustaciones de sulfato de calcio (CaSO4) se han identificado 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 factible en la mayoría de los casos, ya que mejora la productividad de los pozos y evita posibles daños graves a los equipos. 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. La incrustación de CaSO4 se convirtió 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 logra 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 mostrar la estabilidad del disolvente en condiciones de alta temperatura. En la mayoría de los ensayos se obtuvo un producto de reacción (K2SO4) con diferentes cantidades y soluble tanto en agua como en HCl. Se observó que la solución disolvente era eficaz a pH bajo (7) y daba 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 efectivo en la mayoría de los casos y proporcionó la mayor eficiencia de disolución. El producto de 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 potencialmente ahorrar 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 fluidos1. La formación de incrustaciones es un problema operativo crítico en los equipos de petróleo y gas de superficie y subterráneos, 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 de formación poroso, lo que hace que la formación sea impermeable a los fluidos. Las incrustaciones provocan el bloqueo de las perforaciones del pozo, las tuberías y las válvulas, lo que provoca el desgaste del equipo, la corrosión y la restricción del flujo, lo que reduce la producción de petróleo y gas2. Además, es una causa significativa 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 el reemplazo frecuente de equipos de fondo de pozo, la reperforación de los intervalos productivos, la reperforación de los pozos de petróleo obstruidos y otros reacondicionamientos correctivos necesarios 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 escamas 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 productos químicos distintos del agua o el ácido. El cloruro de sodio es un ejemplo de una escala 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 con 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 escamas de hierro también se pueden eliminar con HCl y un agente secuestrante.

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

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 dihidratado, 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 campos petroleros, es extremadamente difícil de eliminar. Esto se debe principalmente a sus bajos límites de solubilidad en agua, que son de 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 de 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 formación de incrustaciones de sulfato de calcio durante estas actividades es la combinación de dos fluidos químicamente incompatibles. Por ejemplo, cuando el agua de mar inyectada que contiene una alta concentración de iones de sulfato se mezcla con agua de formación que contiene una alta concentración de iones de calcio, el sulfato de calcio precipita después de que se supera su límite de solubilidad. De manera similar, la precipitación de sulfato de calcio puede ocurrir cuando las soluciones ácidas usadas 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 alto pH9. 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 la 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 los 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 sedimentos 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 lavar el precipitado de reacción, lo que normalmente no es deseable. Lawson utilizó ácido hidroxámico para la disolución y desintegración del yeso11. Además, las incrustaciones de sulfato de calcio dihidratado (yeso) se han evitado a temperaturas que oscilan entre 104 y 194 °F utilizando éster de fosfato orgánico como inhibidor de incrustaciones12. Wang et al. presentó un nuevo tipo de inhibidor de incrustaciones respetuoso con el medio ambiente, ácido acrílico, ácido oxálico, carboxilato de polietoxi (AA-APEM9) para inhibir las incrustaciones de sulfato de calcio13.

La eliminación de incrustaciones se puede realizar sin usar 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 amigables con el medio ambiente, biodegradables y tienen una baja tasa de corrosión. Dado que los agentes quelantes tienen un efecto leve en los equipos sensibles de fondo de pozo, como las bombas sumergibles eléctricas, se recomiendan para eliminar las incrustaciones inorgánicas. Dos agentes quelantes, el ácido etilendiaminotetraacético (EDTA) y el ácido dietilentriaminopentaacético (DTPA), se han investigado ampliamente en el tratamiento de 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 efectivos para disolver incrustaciones de sulfato de bario y estroncio17. Una de las primeras aplicaciones del EDTA en el campo petrolífero fue eliminar las incrustaciones de carbonato de calcio de la arenisca18. El EDTA también se empleó para limpiar los tubos del calentador de salmuera y las calderas de incrustaciones de sulfato de calcio19. Además, se empleó EDTA para limpiar ensamblajes 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 superaba a la sal de sodio. Athey et al. demostró muchos usos del ácido hidroxietiliminodiacético (HEIDA) en los procesos de eliminación de incrustaciones21. Se demostró que HEIDA puede almacenar más calcio que el ácido nitrilotriacético (NTA) y logró disolver incrustaciones de sulfato de calcio y sulfato de bario cuando se usó 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. La precipitación de sulfato de calcio requiere, sin embargo, el uso de un tratamiento rentable. Las incrustaciones de sulfato de calcio cerca del pozo se pueden eliminar utilizando disolventes químicos en lugar de métodos mecánicos. El uso de sales de ácidos aminocarboxílicos como método químico se ha estudiado intensamente. La disolución de sulfato de calcio es eficaz en EDTA en comparación con otros ácidos. El sulfato de calcio se disuelve en ácidos vivos, pero luego vuelve a precipitar 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. La incrustación de sulfato de calcio no vuelve a precipitar en el disolvente de EDTA. Cikes et al. usó EDTA tetrasódico al 8 % para eliminar el daño del sulfato de calcio en un pozo de condensado de gas a alta temperatura24.

La disolución de incrustaciones de CaSO4 fue investigada recientemente por Murtaza et al. en el que se dejó reaccionar el 5% en peso de sulfato de calcio y el 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 de 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 el producto convertido (carbonato de calcio) se evaluó disolviendo una cantidad fija de sólido en 10 ml de ácido. La eficacia de eliminación se calculó por la relación de sólido disuelto en ácido a la cantidad original de sólido añadido al ácido. Para su método, debido a que la incrustación de sulfato de calcio no se disuelve en ácidos como el ácido acético y el HCl, se aplicó un método de conversión donde la incrustación de sulfato de calcio se convirtió en carbonato de calcio al hacer 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. Utilizando una concentración de acético del 1 % en peso y del 3 % en peso, la eficiencia de eliminación de incrustaciones fue del 31 % y el 49 %, respectivamente. Cuando la concentración de ácido fue del 5% en peso, se logró una eficacia de eliminación del 83%. La concentración óptima fue del 7% en peso para ácido acético, donde todo el producto convertido se disolvió en ácido acético. Se observó una disolución similar a una concentración de acético 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 usando 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 utilizando el método de conversión de carbonato de potasio25.

Efecto de la concentración de ácido HCl en la eliminación de incrustaciones de sulfato de calcio usando 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 la incrustación 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 de tetrapotasio (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 funcionamiento. 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 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 llevaron a cabo pruebas de caracterización, estabilidad y corrosión de la transformada de Fourier infrarroja (FTIR) y cristalografía de rayos X (XRD), 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 de 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 con 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 diversas 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 alto pH es el hidróxido de potasio (KOH). El carbonato de potasio (K2CO3) se priorizó sobre el carbonato de sodio (Na2CO3) en este estudio debido a su alta estabilidad térmica y solubilidad a alta temperatura. La reacción química es la siguiente:

De la reacción Eq. (1), se puede observar que el EDTA y el agente convertidor convierten el CaSO4 en un producto ácido o soluble en agua. El agente quelante forma complejos con los iones Ca de la incrustación 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 gran afinidad por los iones SO4 y forman K2SO4, un compuesto soluble en agua. Los iones de Ca se combinan con los iones de CO3 y se convierten en CaCO3, un compuesto soluble en ácido.

Se usó EDTA tetrapotásico, un agente quelante, como disolvente. La conversión y disolución se realizaron 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 utilizando 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 lo 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 agregó CaSO4 a la solución de disolución y se incubó a una temperatura de 200 °F por 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 DI. La solubilidad de CaSO4 se investigó bajo diversas variables, incluido el pH, la concentración de escala de CaSO4, la concentración de EDTA, la concentración de K2CO3, la temperatura y el 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 el diagrama de flujo del estudio.

Diagrama de flujo del estudio de eliminación de incrustaciones en un solo paso.

La espectroscopía infrarroja de transmisión de Fourier (FTIR) del producto de reacción se realizó utilizando el espectrómetro FT-IR INVENIO de BRUKER por la técnica ATR. La técnica FTIR se lleva a cabo para averiguar el grupo funcional presente en el producto de reacción. Se realizó en un rango de longitud de onda de (4000–405) cm−1.

Además, se realizó un análisis de difracción de rayos X (XRD) 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 de 2θ de 0° a 70° a una velocidad de escaneo de 1°/s.

En este estudio, la incrustación de sulfato de calcio se disolvió mediante un proceso de conversión. El sulfato de calcio se transformó en un producto soluble en ácido y agente quelante utilizando 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.

El 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 el 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 disolvente preparada con K2CO3 y EDTA al 20% en peso. 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 era de color blanco y mostraba 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 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 era K2SO4 como resultado de la saturación excesiva del disolvente 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 mediante la disolución de CaSO4 al 5 % en peso en dos disolventes que difieren en el 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 notó que el aumento del 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 un rango de 90 a 92 %. En base a esta investigación, se seleccionaron tres horas como tiempo de remojo en la mayoría de las pruebas.

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 disolución con respecto al cambio de pH. Todos los disolventes probados tenían la misma formulación pero diferían en el pH (7, 10,5 y 12,5). Los disolventes estaban compuestos por un 20 % en peso de K4-EDTA y un 5 % en peso de K2CO3. La prueba de disolución se realizó en CaSO4 al 3% en peso a 200 °C durante 6 h como tiempo de remojo. Se observó que todos los disolventes disolvieron la cascarilla de CaSO4 en el tiempo de remojo a alta temperatura. Después de la disolución, las soluciones se mantuvieron a temperatura ambiente durante 24 h. Había precipitado en los disolventes 10,5 y 12,5. 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 en la disolución de CaSO4 al 3% en peso.

Solución final al final de la prueba.

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

Eficiencia de disolución frente a 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 DRX. La figura 10 muestra el espectro XRD del producto de reacción. Era una mezcla de hidrato de sulfato de potasio y calcio. Del XRD quedó claro que el disolvente de pH 7 no podía convertir el CaSO4 en un producto ácido o soluble en agua. Posteriormente, se investigó la solubilidad en agua del producto final. Se notó que la adición de 1 g/100 ml de producto final en agua producía 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 el FTIR del producto de reacción obtenido a partir de una 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 en 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 está de acuerdo con la literatura27. De ambos análisis se encontró que el producto de 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 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 sulfato de potasio (arcanita) como el principal producto de reacción (Fig. 14). El producto de reacción se disolvió completamente en agua como se muestra en la Fig. 15.

La DRX del producto de reacción resultó de la 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 eficiencia baja para concentraciones de CaSO4 del 5 % en peso y superiores, como se muestra en la Fig. 7. Hubo una reducción apreciable en la eficiencia de disolución al 5 % en peso y superiores. Dio como resultado una alta concentración de producto de reacción al final del período de remojo. El producto de reacción se analizó analíticamente utilizando la técnica XRD y descubrió 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 diferente concentración. 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 al 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 9 % en peso de CaSO4 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 reacción se filtraron al final del tiempo de remojo, como se muestra en la Fig. 19. Se observó que existe un efecto de concentración sobre la eficiencia de disolución. La cantidad de producto de reacción aumenta con el aumento de la concentración de CaSO4, mostrando la reducción en la eficiencia de disolución.

Productos de reacción después de 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 al alza se notó hasta un 9% en peso. Al 12% en peso, hubo pocos cambios en la disolución de los iones de calcio, la curva alcanzó su meseta. Las concentraciones de iones de calcio disueltos fueron de 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 en 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 utilizando un disolvente de pH 10,5. Se observó que la eficiencia de disolución se mantuvo al 100 % para concentraciones de K4-EDTA del 10 % en peso y del 20 % en peso. Un aumento adicional en la concentración al 30% en peso redujo la eficiencia de disolución al 84%. A una concentración alta de EDTA, los sólidos permanecieron al final del período de remojo de 3 h.

Eficiencia de disolución frente a 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 en la disolución de CaSO4. En esta parte, la concentración de CaSO4 se mantuvo al 5% en peso. La prueba se realizó a 200 °F utilizando un disolvente de pH 10,5. La concentración de EDTA fue del 20% en peso en todas las soluciones. Solo la concentración de K2CO3 se varió de 3 a 10% en peso. Se observó que el K2CO3 impactó en la eficiencia de disolución. La eficiencia de disolución varió con un cambio en la concentración. La disolución óptima se observó al 5% en peso de K2CO3. Un aumento adicional en la concentración no cambió la eficiencia, mostró ineficacia apreciablemente a alta concentración. La eficiencia de disolución al 7 % en peso y al 10 % en peso fue del 87 % y del 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 disolución aumentó ligeramente del 88,50 % al 90,3 % para el disolvente de pH 7 después de que la temperatura aumentara de 75 a 200 °F. Para 10.5-pH, la eficiencia de disolución fue del 100 % a 75 °F y 200 °F. Para 12,5-pH, no se observaron cambios en la eficiencia de disolución.

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

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

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

Además, se investigó la disolución en agua dulce de un grifo. El disolvente de pH 10,5 se mezcló con agua del grifo en lugar de agua desionizada. El agua del grifo tiene altas concentraciones de iones Ca y Mg en comparación con el agua DI. Se disolvió el CaSO4 al 5 % en peso y se comparó su rendimiento con un disolvente preparado con agua DI. 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 la 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 de disolución a lo largo del tiempo en condiciones de alta temperatura. En esta prueba, dos productos disolventes que difieren en pH se colocaron a una temperatura alta de 248 °F durante tres días.

Se notó que aparentemente no hubo cambio físico en las soluciones 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 10,5-pH 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 disolvente 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 generalmente se utilizan para determinar la corrosividad de los ácidos utilizados en la industria del petróleo y el gas para garantizar que no corroerán la tubería y las herramientas de terminación de pozo debido a su alta tasa de corrosión. Además, asegura que el ácido no dañe el equipo utilizado para mezclar e inyectar productos químicos en pozos o líneas de flujo de superficie. La prueba determina el efecto del fluido en un cupón de acero hecho de material de tubería flexible mediante el cálculo de la velocidad de corrosión después de sumergir los cupones de acero en los fluidos a una temperatura de 149 °F durante 24 h utilizando una celda de corrosión OFITE. Se realizaron pruebas de corrosión en cupones de acero (1/16″ × ¾″ × 3″) utilizando agua desionizada y dos soluciones de disolución. Las soluciones disolventes tienen formulaciones idénticas pero difieren en los valores de pH (7 y 10,5). La prueba controlada se llevó a cabo usando agua DI como referencia.

Se observó que el agua DI 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 superó el valor límite máximo recomendado de 2 lbs/ft2/año. El agua desionizada carece de iones y tiene más hambre de iones. El pH del agua desionizada a veces resultó ser ligeramente ácido. El agua con pH bajo causa corrosión en el acero al carbono al contacto. Esta podría ser la razón de la alta tasa de corrosión observada en el agua DI. Además, se notó que ambos disolventes dieron como resultado una tasa de corrosión baja y la corrosión estaba en el límite seguro (< 2 lbs/ft2/año). El disolvente de 10,5-pH brindó una mejor protección contra la corrosión ya que causó la tasa de corrosión más baja (0,58 lbs/ft2/año) en comparación con otras soluciones.

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

En este estudio, se investigó la eliminación de incrustaciones de sulfato de calcio utilizando 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 la incrustación de CaSO4 en condiciones de alta temperatura (200 °F) al formar un producto de reacción (K2SO4) que es soluble tanto en agua como en HCl.

La precipitación de agua o producto soluble en ácido ocurrió en la mayoría de las pruebas realizadas a pH alto.

Hubo un efecto notable del pH sobre la concentración soluble de CaSO4. Hasta el 3 % en peso (30 g/l) de CaSO4 se disolvió por completo en un disolvente de pH 7, mientras que el 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 pH 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 caracterizó y demostró que no tiene efectos nocivos y puede disolverse 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 funcionamiento.

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

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

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

Mobeen Murtaza y Muhammad Shahzad Kamal

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

Sulaiman A. Alarifi y Mohamed Mahmoud

Compañía de servicios y logística de petróleo y energía (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 el 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. Informe científico 12, 10085 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-14385-6

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Recibido: 05 Abril 2022

Aceptado: 06 junio 2022

Publicado: 16 junio 2022

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

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