B41oa oil and Gas Processing Section a flow Assurance Heriot-Watt University

Saturation Index 
The Saturation Index
 
(
SI
) is the logarithmic ratio of the ion product and the 
solubility product 
⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛
→
SP
K
IP
SI
log
………………………………………
(2.1) 
In other words, the 
SI
is the log of the actual amount of mineral forming ions 
over the solubility of that mineral – it is an indicator of 
possible
scale formation. 

---

TOPIC 2: Oilfield Scale 
 
 
 
6 
©H
ERIOT
-W
ATT
U
NIVERSITY B41OA December 2018 v3 
Thus, solutions may have the following range of Saturation Index: 
•
A saturated solution (in equilibrium) will have a 
0
=
SI
. 
•
An undersaturated solution will have an 
0
<
SI
. 
•
A supersaturated solution will have an 
0
>
SI
. 
•
The saturation index has a logarithmic scale. For example, a solution 
with an 
3
=
SI
is ten times more oversaturated than a solution with an 
2
=
SI
. 
It is important to remember that a positive 
SI
does not necessarily mean that 
a scale will form – the kinetics of scale formation may be too slow. As stated 
earlier, it is a measure of 
possible
scale formation. 
Supersaturation 
The supersaturation of an aqueous solution of a salt (
P
S
) refers to how much 
more of the salt is currently dissolved in the solution above that which would 
be present at equilibrium. Some of the salt must precipitate (or crystallise) from 
a supersaturated solution in order for it to come to equilibrium. 
The supersaturation is an important determining factor that controls the 
precipitation of salts from solution. In a sense, the supersaturation may be 
thought of as the thermodynamic “driving force” for precipitation; i.e. it is more 
likely that precipitation will occur easily from a higher than from a lower 
supersaturated solution of a salt. The degree of supersaturation, in turn, is 
affected by changes in temperature, pressure and pH – all of these factors 
may change during oil production. 
For sulphate scales, the main factor causing precipitation is the mixing of 
incompatible injection sea water (high in sulphate anions) with the formation or 
connate waters (containing barium, strontium and calcium cations). 
For carbonate scales, the controlling factor is the reduction in pressure during 
production leading to the loss of carbon dioxide (CO
2
) from aqueous solution 
and the deposition of calcium carbonate. 
For supersaturated aqueous salt systems there are a number of mechanisms 
that determine the kinetics of scale formation – these are as follows: 
1. Homogeneous nucleation. 
2. Heterogeneous nucleation. 
3. Crystal growth.