Thermodynamic and Kinetic Aspects of the Dissolution of Quartz-Kaolinite Mixtures by Alkalis

Aspects thermodynamiques et cinétiques de la dissolution des mélanges quartz-kaolinite par les alcalis

Institut Français du Pétrole

Abstract

Mineral-alkali interactions have received considerable attention in the recent literature dealing with enhanced oil recovery techniques and clay stabilization treatments. One of the critical factors to be considered is alkali consumption. Alkalinity decrease occurs through several mechanisms, which are ion exchange, precipitation, reaction with crude oil components, and dissolution of minerals. This paper describes the dissolution process. An original kinetic model is proposed to describe the alkaline dissolution of a clayey sandstone. This model is based first on results concerning quartz dissolution/condensation processes. It is also based on new experimental data, which demonstrate the inhibiting effect of aluminum and, as the reaction proceeds, the precipitation of an aluminosilicate whose the chemical composition has been determined. From these data, a kinetic scheme has been conceived in which adsorption of different chemical species is assumed to occur onto solid surfaces. These species play a more or less important role according to the extent of the reaction. In the mechanisms considered, the argillaceous fraction of the rock provides silicon and aluminum which inhibit the dissolution of the matrix while silicon coming from quartz interferes with clay attack. The kinetic model depicts the coupling of elementary dissolution processes and calculates dissolved silicon and aluminum. It has been tested for various operating conditions, providing initial reaction rates for quartz and clay. Results emphasize the definitive advantage of carbonate compared to other alkaline chemicals owing to the relative low pH of solutions, which is particularly favorable for promoting inhibition by aluminum and, as a general rule, for reducing mineral dissolution.

Résumé

Ce résumé contient des formules (***) qui ne peuvent s'afficher à l'écran L'emploi des agents alcalins pour améliorer la récupération du pétrole a été préconisé à l'origine dans le but de réduire la tension interfaciale entre l'eau et l'huile brute, grâce à la formation in situ de tensio-actifs résultant de la réaction de l'additif alcalin avec certains constituants de l'huile. La technique s'est depuis largement améliorée avec l'emploi des alcalins en combinaison avec d'autres additifs chimiques tels que les polymères et les tensio-actifs. Dans tous les cas, un point critique réside dans le transport de l'agent alcalin du puits d'injection au puits de production. Divers processus contribuent en effet à réduire la quantité d'additif réellement disponible. Parmi ceux-ci, figure la consommation de l'alcali par dissolution de certains minéraux de la roche réservoir. Ce problème est abordé en étudiant tout d'abord les conditions de dissolution d'un sable supposé représenter la matrice quartzeuse d'une roche gréseuse naturelle. Nous avons adopté un schéma cinétique fondé sur l'adsorption d'acide silicique à la surface du quartz : l'étape déterminante de la dissolution est l'expulsion d'un motif silicique du réseau cristallin, l'acide silicique adsorbé bloquant la dissolution. La concentration en silicium solubilisé au cours du temps est calculée à l'aide d'un modèle numérique qui utilise les paramètres cinétiques déterminés de manière expérimentale. Il est connu que l'adsorption d'aluminium à la surface du quartz réduit de manière considérable sa dissolution. Dans une roche gréseuse, l'aluminium provient de la dissolution des argiles et des feldspaths. Les essais de dissolution effectués avec des solutions alcalines contenant de l'aluminium ont montré que celui-ci s'adsorbait à la surface solide et réduisait ainsi les vitesses initiale et courante de dissolution. Ces essais ont aussi permis de mettre en évidence la formation et la précipitation, au cours de la dissolution, d'un aluminosilicate : l'analcime AISi2O6Na. H2O. Son produit de solubilité a pu être déterminé par analyse des effluents. L'ensemble des données expérimentales indique que, outre l'adsorption de l'acide silicique Si(OH)4 et de l'ion (***), il est nécessaire de faire appel à un autre mécanisme d'inhibition que l'on suppose joué par l'analcime adsorbée. Il est raisonnable de penser qu'avant précipitation, l'analcime est fixée sur la surface quartzeuse qui agit comme support à la nucléation. Ces hypothèses conduisent à un nouveau schéma cinétique qui inclut ces différents mécanismes d'adsorption. Les concentrations calculées en silicium et en aluminium solubilisés s'accordent bien aux données expérimentales pour des temps de réaction allant jusqu'à 3 000 heures. Les études faites sur la kaolinite ont montré que ce minéral est aussi capable d'adsorber l'aluminium, vraisemblablement sous la forme d'ion (***). Une procédure de traitement de l'argile est proposée en préalable à toute étude cinétique afin d'éliminer les espèces adsorbées. Dans ces conditions, la dissolution de la kaolinite est congruente. Par analogie avec la dissolution du quartz, et compte tenu de la structure minéralogique de la kaolinite, nous avons proposé un schéma cinétique de dissolution de l'argile qui décrit la co-adsorption des espèces Si(OH)4 et (***), préalablement à la formation du cristal. La validité de ces mécanismes cinétiques a été examinée en menant des expériences de dissolution de mélanges de quartz et de kaolinite. La modélisation de l'attaque a été faite en prenant en compte les processus d'adsorption et de précipitation observés. Le modèle adopté qui traduit le couplage des processus élémentaires de dissolution permet le calcul des concentrations en aluminium et silicium solubilisés. La comparaison avec l'expérience indique qu'il est nécessaire d'attribuer à l'argile une réactivité notablement supérieure à celle déterminée avec le minéral isolé. Il est suggéré que le sable pourrait jouer un rôle sur l'état de dispersion de l'argile avec corrélativement une plus faible accessibilité de la surface quartzeuse.