Scale Formation Inside Steel Pipes - Solubility of Calcium Sulfate

Abstract

Sjøvann, med sine mange oppløste salter, kan danne faste avleiringer, såkalt scale, på utstyrsoverflater. Avleiringer kan føre til betydelige driftsproblemer i olje- og gassindustrien, for eksempel tilstopping av brønner. På norsk sokkel brukes den termodynamiske modellen ScaleSim til å forutsi risikoen for avleiringer under ulike forhold. På Oda-feltet forutså ScaleSim en risiko for kalsiumsulfat (CaSO4)-avleiringer i det oppvarmede injeksjonsvannet, mens det i praksis ikke ble observert noen avleiringer. Denne inkonsistensen reiste spørsmål om modellens nøyaktighet i sjøvann med høy temperatur. Mens ScaleSims prediksjoner for CaSO4-løselighet i saltlake (som inneholder H2O, NaCl og CaSO4) anses som pålitelige, krever modellens prediksjoner i sjøvann validering.

For å løse problemet med inkonsekvensen som ble observert ved Oda-feltet, ble likevektsløseligheten av CaSO4 i både saltlake og syntetisk sjøvann ved 140C undersøkt. Prøver ble samlet inn fra et eksperimentelt oppsett, og ionekonsentrasjonene av Ca2+ i prøvene ble målt ved hjelp av EDTA-titrering, med mål om å oppnå likevektsverdier. De målte likevektskonsentrasjonene ble deretter sammenlignet med ScaleSims predikerte løselighetsverdier. Sammenligningen viste at det var større ulikhet mellom målte og forventede konsentrasjoner i sjøvann (28,5% +/- 4,0%) sammenlignet med saltlake (12,6%). I tillegg var den målte likevektskonsentrasjonen av Ca2+-ioner i sjøvann høyere enn ScaleSims prediksjon, mens den var litt lavere i saltlake. Disse funnene tyder på at ScaleSims modell for sjøvann kan trenge justering for å stemme bedre overens med den observerte konsentrasjonen. Det er imidlertid nødvendig med ytterligere undersøkelser for å validere ScaleSims prediksjoner for ulike temperaturer i sjøvann.

I tillegg ble likevektsundersøkelsen utført i saltlake, sammen med en systemtest og lekkasjetester med saltlake, utført for å validere funksjonaliteten til forsøksoppsettet. Disse testene viste at oppsettet og prosedyren var pålitelig og fungerte for å undersøke likevektsverdier ved 140C. Det var imidlertid problematisk å oppnå likevekt ved 80C, noe som indikerer at den nåværende konfigurasjonen av oppsettet kanskje ikke er optimal for lavere temperaturer. I tillegg ble det observert korrosjonsskader i oppsettet, noe som førte til en redesign av oppsettet. Til tross for forbedringer under redesignet, var det fortsatt korrosjon, og det er derfor fortsatt usikkert hvor langvarig holdbarheten er med tanke på korrosjon. Det er nødvendig med ytterligere undersøkelser for å redusere korrosjon og sikre anleggets holdbarhet.

Seawater, with its multiple dissolved salts, can form solid deposits known as scale on equipment surfaces. The formation of scale can cause significant operational issues in the oil and gas industry, such as clogging of wells. On the Norwegian Continental Shelf (NCS), the thermodynamic model ScaleSim is used to predict scale risks under various conditions. At the Oda field, ScaleSim predicted a risk of calcium sulfate (CaSO4) scale in the heated injection water, whereas no scaling was observed in practice. This inconsistency raised questions about the model's accuracy in high-temperature seawater. While ScaleSim's predictions for CaSO4 solubility in brine (containing H2O, NaCl, and CaSO4) are considered reliable, its predictions in seawater requires validation.

To address the inconsistency observed at the Oda field, the equilibrium solubility of CaSO4 in both brine and synthetic seawater at 140C was investigated. Samples were collected from an experimental setup, and the Ca2+ ion concentrations in the samples were measured through EDTA titration, with the objective of achieving equilibrium values. The equilibrium concentrations measured were subsequently compared with ScaleSim's predicted solubility values. This comparison showed a larger inequality between measured and predicted concentrations in seawater (28.5% +/- 4.0%) compared to brine (12.6%). Additionally, in seawater, the measured equilibrium concentration of Ca2+ ions was higher than ScaleSim's prediction, while in brine, it was slightly lower. These findings suggest that ScaleSim's model for seawater may need adjustment to better align with the observed concentration. However, further investigation is necessary to validate ScaleSim's predictions across different temperatures in seawater.

In addition, the equilibrium investigation conducted in brine, along with a system test and leakage tests with brine, were performed to validate the functionality of the experimental setup. These tests indicated that the setup and procedure were reliable and functioned for investigating equilibrium values at 140C. However, achieving equilibrium at 80C was problematic, indicating that the current configuration of the setup may not be optimal for lower temperatures. Moreover, corrosion damage was observed within the setup, which led to a redesign of the setup. Despite improvements during the redesign, corrosion was still present, and therefore the long-term durability concerning corrosion remains uncertain. Further investigation is necessary to mitigate corrosion and ensure the durability of the setup.