Определение ионного состава пластовых вод методом капиллярного электрофореза

ХИМИЧЕСКИЕ НАУКИ

Е.А. Рождественский

мл. науч. сотр., ФГБУН «Институт химии нефти Сибирского отделения РАН»

В.А. Кувшинов

канд. хим. наук, вед. науч. сотр., ФГБУН «Институт химии нефти

Сибирского отделения РАН»

Д.А. Филатов

канд. биол. наук, науч. сотр., ФГБУН «Институт химии нефти

Сибирского отделения РАН»

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ИОННОГО СОСТАВА ПЛАСТОВЫХ ВОД МЕТОДОМ КАПИЛЛЯРНОГО ЭЛЕКТРОФОРЕЗА

Аннотация. Методом капиллярного электрофореза (КЭ) проводилось определение ионного состава пластовых вод нефтяных месторождений Западно - Крапивинского, Ландау и Эмлихайм. Показано, что КЭ применим для оценки ионного состава нефтяных пластовых вод, но необходимо оптимальное предварительное разведение.

Ключевые слова: капиллярный электрофорез, пластовая вода, катионы, анионы.

E.A. Rozhdestvenskiy, Institute of Petroleum Chemistry, SB RAS

V.A. Kuvshinov, Institute of Petroleum Chemistry, SB RAS

D.A. Filatov, Institute of Petroleum Chemistry, SB RAS

DETERMINATION OF OIL-FIELD WATERS IONIC COMPOSITION BY CAPILLARY

ELECTROPHORESIS TECHNIQUE

Abstract. Determination of ionic composition of Zapadno - Krapivinskoje, Landau and Emlicheim oil field waters was carried out by capillary electrophoresis (CE). It is shown that CE is applicable for estimation of ionic composition of oil - field water, but optimal pre-dilution is necessary.

Keywords: capillary electrophoresis, formation water, cations, anions.

Капиллярный электрофорез (КЭ) как метод исследования нашел широкое применение в определении как качественного, так и количественного составов различных объектов. Зачастую этот метод рассматривают как альтернативу высокоэффективной жидкостной хроматографии, поскольку он сочетает высокую эффективность, чувствительность, экспрессность анализа и обладает сравнительно небольшой стоимостью оборудования и материалов. Малые объемы проб (мкл), минимальный расход реагентов (мл), низкая себестоимость, возможность автоматизировать процесс - позволяют рассматривать КЭ как перспективный метод в применении к рутинным и скрининг анализам.

В основе метода лежат электрокинетические явления (электромиграция ионов, электроосмос), которые возникают в растворах при помещении их в электрическое поле. Такое поле, приложенное вдоль капилляра, вызывает в нем движение заряженных частиц и пассивный поток жидкости. В результате чего, проба разделяется на индиви-

дуальные компоненты, так как параметры электромиграции специфичны для каждого сорта заряженных частиц.

Метод КЭ и его модификации получили широкое распространение в анализе водных растворов. В литературе можно встретить методики определения анионного и катионного составов природных и питьевых вод, определение чистоты фармацевтических препаратов и объектов пищевой промышленности, анализ наркотических и взрывчатых веществ [1]. За редким исключением встречаются методики определения следовых количеств веществ в морских и сточных водах. В то время как исследованию состава пластовых вод нефтяных месторождений методом КЭ уделено мало внимания.

Состав пластовых вод, главным образом, определяется литологическим составом вмещающих пород, их обменной емкостью, условиями формирования и процессами диффузии, режимами заводнения и т. д. Основными компонентами природных вод являются ионы: хлорид, сульфат, аммоний, гидрокарбонат, натрий, кальций и магний, алюминий. Большое распространение имеют также карбонат-ион, калий, ионы железа, стронция, бария и брома. Остальные элементы встречаются в незначительных количествах и называются микрокомпонентами состава вод [2, 3].

Располагая информацией об ионном составе воды, возможно более эффективное предсказание внутрипластовой миграции флюидов, граничных процессов «вода -порода» и «вода - нефть», степени загрязненности поверхностных вод и территорий. Такая информация может быть также полезна для предотвращения нежелательных процессов как то: набухаемость глин, закупорка капилляров, коррозия трубопроводов, солеотложение [4]. Микроэлементный состав влияет на общую численность гетеротрофной пластовой микрофлоры, которая в процессе метаболизма может изменять реологические свойства нефти.

В настоящее время с нефтью извлекается более 120 млн тонн в год попутных пластовых вод, а запасы подземных вод терригенного девона практически неисчерпаемы. Благодаря этому имеется реальная возможность по созданию химических производств для получения дешевой пищевой поваренной соли, йода, брома, соляной кислоты, каустической соды и др. Часть этих продуктов может быть использована непосредственно при добыче нефти, что значительно снизит ее себестоимость. Таким образом, подземные воды по своему ионно-солевому составу, концентрации микроком-понетов имеют промышленное значение как гидроминеральное сырье для химической промышленности. Промысловые воды содержат от 70 до 300 кг/т солей металлов, которые могли бы стать долговременным источником сырья для химической промышленности [5].

В настоящей работе приведены результаты определения состава пластовых вод методом КЭ. Для анализа качественного и количественного состава пластовых вод использовалась система капиллярного электрофореза «КАПЕЛЬ 105» с программным обеспечением «Мультихром 1.52 у», полностью управляется от компьютера с помощью специализированного программного обеспечения, которое, кроме управления прибором, позволяет дополнительно собирать и обрабатывать электрофоретические данные. Смена проб и промывка капилляра автоматическая.

В состав прибора вошли капиллярная колонка (длина 60 см, внутренний диа-

метр 0.075 мм) и фотометрический детектор с диапазоном длин волн 190 + 380 нм. Измерения проводились при рабочих длинах волн 254 и 267 нм по стандартным методикам НПФ «Люмэкс». Эти методики были разработаны и рекомендованы для анализа ионного состава природных, питьевых и сточных вод. Градуировку прибора проводили методом внешнего стандарта с использованием государственных стандартных образцов ионов каждого из исследуемых компонентов. Среднеквадратичное отклонение градуировочных кривых во всем диапазоне концентраций не превышало 10 %. Типичные электрофореграммы катионов и анионов приведены на рисунках 1 и 2.

Рисунок 1 - Электрофореграмма градуировочного раствора катионов, и= 13 кВ, А = 267 нм

Смн4+=Ск+=Сма+=Сзг2+=Соа2+= 50 мг/дм3

СМд2+= 25 мг/дм3, Си+= 2 мг/дм3,

2+_

Рисунок 2 - Электрофореграмма градуировочного раствора анионов, и= - 17кВ, А = 254 нм

Са =С|\ю2 =Сзо4 -Сися =Сро4 = 20 мг/дм СР-= 10 мг/дм3

Сва = 5 мг/дм3

Методики КЭ отрабатывались на пластовой воде Западно-Крапивинского месторождения. Отбор воды производился в пластиковую посуду без специальной про-боподготовки. Время идентификации одной пробы от 7 до 10 минут. Одноразовая загрузка до 9 образцов. Перед началом анализа воду фильтровали через целлюлозно-ацетатный фильтр (размер пор 0.2 мкм) после чего анализировали методом КЭ.

Из рисунков 3-6 видно, что неразбавленная пластовая вода не разделяется на индивидуальные компоненты в выбранных условиях капиллярного электрофореза. Только при разбавлении в 25 и более раз (дистиллированной водой) можно получить достоверные данные. Следует отметить, что с разбавлением исходных проб дистиллированной водой может теряться информация о наличии следовых количеств компонентов. Поэтому необходимо определить оптимальное разбавление.

Нами исследовался состав пластовых вод германских месторождений Ландау и Эмлиххайм (с минерализацией 75.8 и 100.5 г/дм3, соответственно), где также удалось подбором оптимального разбавления, в 50 и более раз, добиться полного разделения на ионы (рис. 7 и 8).

Нам представляется весьма эффективным применение этого метода в оценке концентраций бария и стронция, образующих наиболее трудно удаляемые отло-

жения солей.

Рисунок 3 - Электрофореграмма анионов пластовой воды Западно-Крапивинского месторождения, и= - 17кВ, Л = 254 нм

Рисунок 4 - Электрофореграмма анионов пластовой воды Западно-Крапивинского месторождения, разбавленной в 25 раз, и= - 17кВ, Л = 254 нм

Рисунок 5 - Электрофореграмма катионов пластовой воды Западно-Крапивинского месторождения, и= 13 кВ, Л = 267 нм

Рисунок 6 -Электрофореграмма катионов пластовой воды Западно-Крапивинского месторождения, разбавленной в 100 раз, и= 13 кВ, Л = 267 нм

Таким образом, полученные результаты показывают, что метод капиллярного электрофореза применим для оценки количественного и качественного состава высокоминерализованных пластовых вод с предварительным их оптимальным разбавлением дистиллированной водой. Такой подход обеспечивает высокую экспрессность и информативность единичного анализа.

Данные по микроэлементному составу пластовых рассолов и попутных вод нефтяных месторождений могут быть использованы при оценке качества и перспектив их промышленной утилизации в качестве ценного минерального сырья.

Рисунок 7 - Электрофореграмма катионов пластовой воды месторождения Ландау, разбавленной в 100 раз, U= 13 кВ, А = 267 нм

Рисунок 8 - Электрофореграмма катионов закачиваемой воды месторождения Эмлиххайм, разбавленной в 100 раз,

и= 13 кВ, Л = 267 нм

При эксплуатации месторождения точное знание химического состава пластовых вод месторождения весьма важно, оно позволяет правильно определить источники обводнения скважины, решить вопрос о применении воды того или иного состава при вторичных методах эксплуатации и контролировать процессы обводнения.

Список литературы:

1. Практическое руководство по использованию систем капиллярного электрофореза «КАПЕЛЬ» / Н.В. Комарова, Я.С. Каменцев. СПб.: ООО «Веда», 2006. - 212 с.

2. Воды нефтяных и газовых месторождений СССР / Под ред. Л.М. Зорькина. М.: Недра, 1989. - 382 с.

3. Справочник по геохимии / Г.В. Войткевич, А.В. Кокин, А.Е.Мирошников. М.: Недра, 1990. - 480 с.

4. Геология и полезные ископаемые России / под ред. А.Э. Конторовича, В.С. Суркова. С.-П.: ВСЕГЕИ, 2000. - Т.2. - С. 129-133.

5. Соколов Б.А. Новые идеи в геологии нефти и газа. Избр. тр. Изд-во МГУ, 2001. - 480 с.

List of references:

1. Practical guidance on the use of capillary electrophoresis systems «KAPEL» / N.V. Komarova, J.S. Kamentsev. St. Petersburg.: LTD «Veda», 2006. - 212 p.

2. Waters of oil and gas deposits of the USSR / Under red. L.M. Zorkina. Moscow: Nedra, 1989. -

382 p.

3. Handbook of geochemistry / G. V. Voitkevich, A.V. Kokin, A.E.Miroshnikov. Moscow: Nedra, 1990. - 480 p.

4. Geology and minerals of Russia / under red. A.E. Kontorovicha, V.S. Surkova. With.-I.: VSEGEI, 2000. - T.2. - P. 129-133.

5. Sokolov B.A. The New ideas in geology of oil and gas. Izbr. tr. Izd-vo of MGU, 2001. - 480 p.