Číre halogenidové soľanky pomocou ultrazvuku
Bežné halogenidové soli a zloženie zmesí čírych halogenidových soľaniek
| Soľ | Max. hustota pri 20°C (kg/m3) | Max. hustota pri 68°F (lb/gal) |
|---|---|---|
| Chlorid sodný (NaCl) | 1200 | 10,0 |
| Chlorid vápenatý (CaCl2) | 1430 | 11,9 |
| Bromid sodný (NaBr) | 1520 | 12,7 |
| Bromid vápenatý (CaBr2) | 1700 | 14,2 |
| Bromid zinočnatý (ZnBr2) | 2400 | 20,0 |
Medziľahlé hustoty sa dosahujú miešaním. Hmotnostný pomer CaBr2 k ZnBr2 60:40 poskytuje približne 2070 kg/m3 (17,3lb/gal), pričom teplota kryštalizácie zostáva pod 4°C (39°F).
Kľúčové úžitkové vlastnosti
- Bez filtračného koláča: Hydrostatický tlak vyplýva zo skutočnej hustoty roztoku.
- Inhibícia ílov: Ca2+ a Zn2+ potláčajú napučiavanie a dispergáciu bridlíc.
- Optická čírosť: Číre halogenidové soľanky umožňujú spoľahlivú filtráciu, počítanie častíc priamo v potrubí a sledovanie pomocou gama žiarenia.
Faktory pri návrhu kvapaliny
Návrh začína cieľovou hustotou, po ktorej sa overuje rezerva voči kryštalizácii, kompatibilita s horninovou formáciou a korózia. Soľanky bohaté na zinok poskytujú najvyššiu hustotu, vyžadujú si však odolnejšie kovové materiály a súbory inhibítorov.
Miešanie a kontrola kvality halogenidových soľaniek
Pri príprave čírych halogenidových soľaniek je rozpúšťanie solí obmedzené prenosom hmoty na rozhraní pevnej a kvapalnej fázy. Vysokovýkonné ultrazvukové spracovanie skracuje čas spracovania dávky dispergovaním jemných častíc a narúšaním difúznych vrstiev. Soľanky určené na vystrojenie vrtov prechádzajú cez filtračné vložky s veľkosťou pórov 1–2 µm, aby sa dosiahol zákal pod 0,4 NTU.
Vysokovýkonné ultrazvukové spracovanie čírych halogenidových soľaniek
Akustická kavitácia vyvolaná vibrujúcou sonotródou výrazne urýchľuje rozpúšťanie, odplyňovanie a dispergáciu prísad. Implózie bublín vytvárajú mikroprúdy a rázové čelá, ktoré čistia povrchy solí, rozrušujú aglomeráty a ženú čerstvú kvapalinu cez medznú vrstvu pri teplote okolia.
Namerané zlepšenia výkonnosti
Prevádzkové údaje z dávky soľanky bromidu vápenatého s objemom 15m3 (cieľová hustota ≈ 1700 kg/m3 alebo 14,2lb/gal) ukazujú, že vysokovýkonný ultrazvuk dokončí rozpúšťanie približne za 25 minút pri teplote okolia 25°C (77°F). Rovnaká úloha s použitím zhora zavedeného obežného miešadla s parným ohrevom si vyžadovala zhruba štyri hodiny pri 60°C (140°F). Napriek nižšej teplote spotreboval ultrazvukový postup iba 0,3–0,5 kWh elektrickej energie na kubický meter hotovej kvapaliny a pritom dosiahol zákal pod 0,4 NTU. Kavitácia odstraňuje aj strhnutý plyn. Obsah rozpusteného kyslíka v recirkulačnom okruhu po jedinom prechode výrazne klesol, čo umožnilo účinnejšie pôsobenie inhibítorov korózie.
Prietokové verzus dávkové ultrazvukové spracovanie
Bežne sa používajú dva spôsoby realizácie, pričom každý vyhovuje iným prevádzkovým potrebám.
Dodatočná montáž do dávkového recirkulačného okruhu
Pri dodatočnej montáži do dávkového recirkulačného okruhu existujúca miešacia nádrž naďalej poskytuje vyrovnávací objem, vykurovacie hady a nasávanie pre prečerpávacie čerpadlo. Ponorná rúra odoberá čiastočne rozpustenú soľanku z dna nádrže, čím zabezpečuje, že kvapalina vstupujúca do ultrazvukovej jednotky na ráme obsahuje najvyššiu koncentráciu nerozpustených pevných látok. Čerpadlo potom privádza prúd pri tlaku približne 2barg (30psig) do ultrazvukového prietokového reaktora. V jeho komore vytvára kaskatróda intenzívnu kavitačnú zónu. Na rozpustenie zvyškových kryštálov postačuje čas zdržania zhruba 0,5 sekundy. Prietokový hustomer umiestnený bezprostredne za reaktorom dodáva údaje regulačnému okruhu PID, ktorý obmedzuje dávkovanie závitovkového dopravníka suchej soli. Upravená soľanka sa vracia do nádrže. Keďže ultrazvukové šmykové sily nepretržite narúšajú medzné vrstvy, celkový čas spracovania dávky klesá z hodín na desiatky minút bez zvýšenia teploty celého objemu kvapaliny a dodatočná montáž si vyžaduje iba dve prírubové prípojky.
Plne prietokové usporiadanie
Plne prietokové usporiadanie je optimalizované pre morské plošiny a pozemné vrtné súpravy. Miešacia nádrž tu úplne odpadá. Voda alebo opätovne použitý filtrát sa spája s prúdom zo závitovkového podávača, ktorý dávkuje suché soli priamo do ultrazvukového reaktora. Rozpúšťanie a odstraňovanie plynu sú pri výstupe prúdu z ultrazvukovej prietokovej komory prakticky dokončené. Odtiaľ kvapalina smeruje priamo do výplachových čerpadiel alebo do rozdeľovača soľanky na vystrojenie vrtu. Takáto jednotka na ráme pripravená na okamžité pripojenie a použitie môže vedúcemu vŕtania poskytnúť reguláciu hydrostatického tlaku v reálnom čase bez tepelného oneskorenia alebo rizík kryštalizácie spojených s dávkovými nádržami na miešanie za tepla.
Úspory energie a zníženie emisií
Vylúčenie parného ohrevu v prevádzke s objemom 50m3 ušetrí až 350kWh energie z paliva na dávku, čím sa zabráni emisiám až 70kg CO2.
Odplyňovanie a obmedzovanie korózie
Kavitácia vypudzuje zo soľanky strhnutý plyn. Nižší obsah kyslíka spomaľuje jamkovú koróziu aj koróziu všeobecne. Korózne skúšobné vzorky v prevádzke pri použití ultrazvukovo odplynených soľaniek často vykazujú desaťnásobne nižšiu koróziu pri rovnakej dávke inhibítora.
Dispergácia prísad
Amíny tvoriace ochranný film, mazivá a mikronizované zaťažovacie pevné látky dosahujú užšie rozdelenia veľkosti častíc a až o 30% nižšiu variabilitu reologických vlastností, keď ultrazvukové spracovanie nahradí konvenčné miešanie obežným miešadlom.
Korózia a výber materiálov
Vysoký obsah chloridov a bromidov podporuje jamkovú koróziu aj koróziu všeobecne. Soľanky sa zvyčajne dodávajú odvzdušnené (obsah kyslíka pod 10ppb) a s pridanými amínmi tvoriacimi ochranný film. Pri ≥60°C (140°F) sa pri povrchových zariadeniach prechádza z uhlíkovej ocele na 316L, duplexnú oceľ 2205 alebo superduplexnú oceľ 2507. Sonotródy z titánu Grade 5 a prietokové komory zo zliatiny Alloy 625 odolávajú ZnBr2 pri teplotách až do 120°C (248°F).
Číre halogenidové soľanky zostávajú nevyhnutné na reguláciu tlaku vo vrtoch pri vysokých tlakoch a s nízkym poškodením horninovej formácie. Zvládnutie chémie solí, vysokovýkonného ultrazvuku, zmierňovania korózie a zodpovedného prístupu k životnému prostrediu umožňuje inžinierom prispôsobiť hustoty od 1080 kg/m3 (9lb/gal) do 2400 kg/m3 (20lb/gal) a zároveň zabezpečiť čo najčistejšie prostredie vo vrte.
Časté otázky: Číre halogenidové soľanky
Čím sa vyznačuje číra halogenidová soľanka?
Žiadne suspendované pevné látky neprekračujú hranicu rozpustnosti, takže kvapalina je priehľadná a možno ju filtrovať na zákal pod 0,5 NTU. Celá hmotnosť pochádza z rozpustených solí.
Ktoré soli sú najbežnejšie?
Chlorid sodný, chlorid vápenatý, bromid sodný, bromid vápenatý a bromid zinočnatý. Hustota sa upravuje miešaním týchto solí vo vode.
Prečo zvoliť číre soľanky namiesto zaťaženého vrtného výplachu?
Nezanechávajú filtračný koláč, minimalizujú poškodenie horninovej formácie, ľahko prechádzajú cez zariadenia na vystrojenie vrtu a rýchlo umožňujú filtráciu na submikrónovej úrovni.
Prečo používať ultrazvuk na miešanie čírych halogenidových soľaniek?
Ultrazvukové spracovanie výrazne skracuje čas rozpúšťania, umožňuje miešanie pri teplote okolia, odstraňuje kyslík podporujúci koróziu a zabezpečuje nízky zákal bez veľkých mechanických miešadiel.
Aká energetická náročnosť je typická pre ultrazvukové spracovanie?
Väčšina prevádzok spĺňa špecifikácie pri spotrebe 0,3–0,5kWh na kubický meter hotovej soľanky. Presná hodnota závisí od druhu soli a cieľovej hustoty.
Ako sa reguluje hustota na mieste prevádzky?
Suchá soľ alebo koncentrát sa rozpúšťa pri ultrazvukovom spracovaní a potom sa hustota jemne upraví pridaním vody. Prietokové hustomery udržiavajú hustotu v rozmedzí ±2kg/m3 (±0,02lb/gal).
Sú číre soľanky korozívne?
Áno. Chloridy a bromidy spôsobujú lokálnu jamkovú koróziu aj koróziu všeobecne. Prevádzkovatelia soľanky odvzdušňujú, pridávajú inhibítory a používajú zliatiny odolné proti korózii.
Možno použité halogenidové soľanky recyklovať?
Áno. Použité kvapaliny sa filtrujú, zbavujú kyslíka, upravuje sa ich hustota a opätovne sa používajú. Zo soľaniek bohatých na zinok sa môže pred zneškodnením spätne získavať Zn.
Aké teploty tieto soľanky zvládajú?
Zmesi CaBr2/CaCl2 zostávajú číre približne do 150°C (302°F). Koncentráty ZnBr2 zostávajú číre aj nad 200°C (392°F), sú však vysoko korozívne.
Ako rýchlo dokáže ultrazvuk rozpustiť soľ?
Priemyselné jednotky skracujú čas spracovania dávky CaBr2 zo 4h (vyhrievané obežné miešadlo) na približne 30min (pri teplote okolia) pri halogenidovej soľanke s hustotou 1700 kg/m3, čím šetria palivo a prevádzkový čas vrtnej súpravy.