DESHIDRATACIÓN Y DESALADO DE CRUDOS
Preparado por: Elias A. Muñoz A. Enero 2007
ROMPEDORES DE EMULSIÓN l
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El más importante objetivo en cualquiera de las facilidades de la producción de petróleo, es la separación del agua y otros materiales externos del petróleo producido. El rompimiento de estas emulsiones de petróleo y agua, constituyen los más grandes desafíos en la industria del petróleo
Deshidratación y desalado de Petróleo Objetivo Separar del Petróleo la mayor cantidad de impurezas insolubles presentes en él, tales como: l Salmuera (agua y sales orgánicas) presentes como agua libre o emulsionada. l Sedimentos (Arena, arcillas, productos de corrosión, de incrustación, etc.)
TEORÍA DE LA EMULSIÓN l
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Una Emulsión es una mezcla de dos líquidos inmiscibles, uno de los cuales esta disperso como gotas en el otro. El líquido que está en pequeñas gotas es la fase interna o dispersa, mientras que el líquido alrededor de las gotas es la fase externa o contínua
EMULSIÓN
TIPOS DE EMULSIÓN Las emulsiones se clasifican de acuerdo a cual fase está contínua o dispersa: l
Emulsiones de agua en Petróleo (W/O) El agua está dispersa en el petróleo. El agua es la fase dispersa o interna y el petróleo es la fase externa o continua. Este tipo de emulsión es denominada Emulsión regular.Estas emulsiones pueden tener un contenido de agua desde trazas hasta 90%. El tratamiento de este tipo de emulsiones se denomina Deshidratación
TIPOS DE EMULSIÓN (CONT) Emulsiones Múltiples No es muy común encontrar simultáneamente ambas emulsiones. Son muy frecuentes en crudos de fosas (slop oil) y tanques de almacenamineto donde se han mezclado varios tipos de emulsiones por periodos de tiempo largos.
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TIPOS DE EMULSIÓN (CONT) Emulsiones de petróleo en agua (O/W) El petróleo está disperso en el agua. El petróleo es la fase dispersa o interna. El agua es la fase continua o fase externa. Este tipo de emulsión es denominada Emulsión reversa. Son las emulsiones más frecuentes en el agua que ha sido separada del petróleo en el proceso de deshidratación. l
FORMACIÓN DE UNA EMULSIÓN Para la formación de emulsiones estables se necesitan tres factores básicos: l Los dos líquidos deben ser inmiscibles: Petróleo y Agua l Debe existir un agente emulsificante l Agitación
AGENTES EMULSIFICANTES l
Asfalténos
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Resinas
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Ácidos Nafténicos
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Sólidos finos (FeS, arena de formación, microcristales de incrustación)
Partículas parafínicas
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AGENTES EMULSIFICANTES (CONT) Todas estas sustancias son encontradas en la interfase entre el petróleo y las gotas de agua como una película alrededor de la gota; otros emulsificantes pueden ser productos químicos de perforación, estimulación o producción. Por ejemplo algunos Inhibidores de corrosión deben probarse antes de ser aplicados por la tendencia de emulsificación.
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ENERGÍA DE AGITACIÓN Chokes l Caídas de presión l Bombas l Curvaturas de líneas de flujo l Agitación normal del sistema de producción del pozo (Gas lift, bombas electrosumergibles, etc.) l
ESTABILIDAD DE UNA EMULSIÓN Una emulsión es estable si para romperla se requiere algún tipo de tratamiento: l Físico l Químico l Mecánico l Térmico l Eléctrico
FACTORES QUE AFECTAN LA ESTABILIDAD DE LAS EMULSIONES l
Viscosidad Alta viscosidad, mayor resistencia a fluir. Un petróleo con alta viscosidad requiere más tiempo para que las gotas decanten o colaescan. Si un líquido de alta viscosidad es calentado, la viscosidad disminuye y fluye más fácilmente.
FACTORES QUE AFECTAN LA ESTABILIDAD DE LAS EMULSIONES l
Gravedad específica La gravedad específica no debe ser confundida con la gravedad API. La gravedad específica de un líquido es el peso de una cantidad dada de líquido a una temperatura dada, comparada con el peso de un volumen igual de agua a la misma temperatura Grados API = 141.5 - 131.5 G. E
FACTORES QUE AFECTAN LA ESTABILIDAD DE LAS EMULSIONES l
Gravedad específica (cont) A mayor gravedad específica, mayor estabilidad de la emulsión, en consecuencia, a menor gravedad API, mayor estabilidad de la emulsión.
FACTORES QUE AFECTAN LA ESTABILIDAD DE LAS EMULSIONES l
Porcentaje de Agua Un pequeño porcentaje de agua en el petróleo emulsifica más fuerte y permanente. En general la severidad de una emulsión usualmente disminuye cuando la cantidad de agua producida se aproxima o sobrepasa la cantidad de petróleo producido. Menor porcentaje de agua, mayor estabilidad
FACTORES QUE AFECTAN LA ESTABILIDAD DE LAS EMULSIONES l
Sólidos disueltos totales Los sólidos disueltos totales (TDS) o salinidad del agua, también influyen en la rata de asentamiento. Aguas más pesadas, mayor velocidad de asentamiento. Las emulsiones de agua fresca son usualmente más difíciles de tratar.
A menos TDS mayor estabilidad de la emulsión
FACTORES QUE AFECTAN LA ESTABILIDAD DE LAS EMULSIONES l
Edad de las emulsiones Con el tiempo, el agente emulsificante puede migrar a las gotas de agua dispersas y revestirlas completamente. Sólidos (parafinas, arcillas, arenas, etc.) pueden también revestir las gotas de agua emulsificadas. Emulsiones añejas estabilizadas, pueden requerir altas ratas de químico y para tratarlas requieren otro tipo de químico que las emulsiones frescas.
LEY DE STOKES l
La velocidad de decantación de las gotas de agua en el petróleo se expresa por la ley de stokes:
V= 2gr2 (Dw – Do) / 9µ V= Velocidad relativa de las gotas de agua cayendo a través del petróleo. G= gravedad r= Radio de la gota de agua Dw, Do= Densidad del agua, petróleo µ= Viscosidad del petróleo
LEY DE STOKES (CONT) La velocidad de decantación del agua aumenta con: l El cuadrado del diámetro de la gota de petróleo l Disminución en la viscosidad del petróleo l Mayor diferencia de densidad entre el petróleo y el agua.
ATRACCIÓN ENTRE GOTAS l
La fuerza de atracción entre gotas de agua es función directa de su carga eléctrica y diámetro e inversamente de la distancia entre gotas, y está dada por la ecuación:
F = KE2r6 a4 F =Fuerza de atracción entre gotas K= Constante dieléctrica del petróleo E= Gradiente de voltaje R= Radio de la gota a= Distancia entre centros de gotas
TEORÍAS DE DEMULSIFICACIÓN l
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Una teoría de demulsificación sugiere que el emulsificante es desactivado mediante la adición del demulsificante a través de la Neutralización la Neutralización,, cambio en el pH o pérdida de la solubilidad. Otra teoría es que el agente emulsionante esta compuesto por cuerpos polares y funcionan por medio de cargas electrónicas. Cualquier distorsión de estas cargas mediante moléculas cargadas de electrones, romperá el emulsificante.
MÉTODOS DE TRATAMIENTO Los factores que involucran el tratamiento de las emulsiones incluyen: 1.
2.
Rompimiento de la película alrededor de las gotas de agua y coalescencia para producir gotas más grandes Asentamiento de las gotas de agua durante o después de su coalescencia
MÉTODOS DE TRATAMIENTO Los métodos más comunes para el tratamiento de emulsiones son: Térmico l Químico l Mecánico l Eléctrico l
TRATAMIEMTO TÉRMICO Incrementa el movimiento y frecuencia de colisión o choque de las gotas l Incrementa la diferencia de densidades l Reduce la viscosidad del petróleo l Incrementa la velocidad de asentamiento de las gotas de agua l Promueve la coalescencia l Tratamiento costoso, disminuye valor del petróleo (por pérdidas de livianos) l
TRATAMIENTO ELÉCTRICO Polariza las gotas con cargas inducidas de superficie l Deforma las formas esféricas de las gotas a forma elíptica l Incrementa la distorsión en el área superficial interrumpiendo la película interfacial l Resulta en mejor coalescencia l
TRATAMIENTO ELÉCTRICO
TRATAMIENTO MECÁNICO l
1. 2. 3. 4.
Básicamente existen 4 aparatos mecánicos usados para el asentamiento del agua: Tanques de asentamiento Piscinas o fosas de asentamiento Gunbarrel o wash Tank (Tanques de lavado) Free- Water Knockout (FWKO)
TRATAMIENTO QUÍMICO Principio de acción: Aplicación de agentes demulsificantes que atacan a las sustancias emulsificantes para romper la emulsión l Ventajas: Bajo costo de instalación de equipos, procesos sencillos y deshidratación sencilla l
TRATAMIENTO QUÍMICO (CONT) El éxito del tratamiento del petróleo emulsionado depende de: l Adecuada cantidad del químico más eficiente l Suficiente agitación para permitir una buena mezcla del químico con la emulsión l Cuando fuere necesario, la adición de calentamiento para facilitar el rompimiento de la emulsión
TRATAMIENTO QUÍMICO (CONT) l
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Suficiente tiempo para permitir el asentamiento del agua liberada Adecuado manejo y separación y separación de gas antes del asentamiento
EQUIPOS DE CAMPO Separadores l Free water Knockouts l Tanques de asentamiento (Settling Tanks) l Gun Barrels (Tanques de lavado) l Heater Treaters (Tratadores térmicos) l Chemelectrics (tratadores electrostáticos) l Desalting Units ( Unidades de desalado) l
SEAPARADORES (BIFASICOS/TRIFASICOS) l l
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Separación del gas natural de los líquidos producidos Combina: Gravedad, tiempo, procesos mecánicos y ocasionalmente químicos El tamaño depende del flujo del gas natural o líquidos dentro del separador Tienen varios diseños: vertical, horizontal y esféricos La mayoría son bifásicos: separar gas y líquidos Trifásicos: separan el gas natural, hidrocarburos líquidos y agua libre Presiones de operación de los separadores dependen de la presión de flujo de los pozos, presión de operación deseada por el operador
SEPARADOR HORIZONTAL TRIFÁSICO
FREE WATER KNOCKOUTS(FWKO) l
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Usado para separar el gas y agua libre del petróleo emulsionado El diseño puede ser horizontal o vertical El tamaño depende del tiempo de retención deseado y del volumen del fluido a tratar Los métodos usados para la separación son: tiempo, gravedad, mecánicos y algunas veces químico Cuando el calentamiento tiene que ser usado para romper la emulsión, se ahorra mucho combustible con el uso de los FWKO
Free Water Knockout
TANQUES DE ASENTAMIENTO (SETTLING TANK) Usado en muchos campos viejos de petróleo l La emulsión entra al tanque y es distribuida hacia el fondo del tanque a través de un distribuidor l El petróleo limpio fluye hacia la parte superior l Las fracciones livianas del petróleo producido tienden a escapar disminuyendo la gravedad y el volumen del petróleo l Nunca se selecciona un tanque de asentamiento cuando prime el factor económico l
TANQUE DE ASENTAMIENTO salida de aceite
aceite
agua ° ° ° ° ° ° ° ° ° ° °° ° ° ° °° ° ° ° ° °° ° ° ° ° °
°
tuberia de distribucion
sifon de agua
GUN BARREL(WASH TANKS) TANQUES DE LAVADO Usualmente combinan métodos térmicos, químicos, tiempo, gravedad,mecánico l El tanque de lavado es básicamente un tanque de asentamiento que tiene adaptado un tubo separador de gas en la parte interna o externa del tanque l Opera bajo el principio de diferencia de densidades l La emulsión entra por la parte superior del tanque, pasa por el tubo conductor y se riega en el fondo por medio del distribuidor (spreader) l
GUN BARREL(WASH TANKS) TANQUES DE LAVADO La emulsión asciende a través de la zona de agua que ayuda a la coalescencia de las gotas y permite suficiente tiempo de retención para que las fases se separen l El petróleo limpio, el gas y el agua salen por sus respectivas tuberías. l
TANQUE DE LAVADO (GUN BARREL)
HEATER TREATERS (TRATADORES) l
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Usualmente combinan métodos térmicos, gravitacionales, mecánicos y químicos para romper la emulsión El diseño puede ser horizontal o vertical El tamaño depende de la cantidad de fluido a tratar La emulsión entra a través de un intercambiador de calor y pasa a un tubo conductor El agua libre cae al fondo, la emulsión fluye hacia arriba y horizontalmente dentro de una segunda sección de la vasija donde el agua se separa de la emulsión y cae al fondo El aceite limpio se remueve a través de su salida
TRATADOR TÉRMICO
TRATADOR ELECTROSTÁTICO (Electrostatic treater or chemelectric) l
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Similar a un tratador térmico horizontal, excepto que adiciona alto voltaje, corriente alterna y mallas eléctricas La emulsión entra por la parte superior, pasa a través de un intercambiador de calor y sube a un campo eléctrico donde las gotas reciben una carga eléctrica, haciendo que se muevan rápidamente y choquen unas con otras con bastante fuerza para unirse, formar grandes gotas y luego caer al fondo
TRATADOR ELECTROSTÁTICO (Electrostatic treater or chemelectric) El sistema eléctrico consiste en un transformador y electrodos l Con unidades electrostáticas es posible usar menores temperaturas de tratamiento que con otros tipos de tratadores l
TRATADOR ELECTROSTÁTICO
TRATADOR ELECTROSTÁTICO
UNIDADES DE DESALADO (DESALTERS) Son usados donde salmueras fuertes(alta salinidad) son producidas conjuntamente con el petróleo l Funcionan usando agua de lavado (agua fresca), para que el agua que pase con el crudo tenga una baja concentración de sal l Generalmente usan precipitación electrostática. El voltaje aplicado entre electrodos es de 2000 a 4000 voltios/pulgada. La fuente de energía es de 220-440 voltios y el voltaje final es de 13000 a 35000 voltios l
UNIDADES DE DESALADO (DESALTERS) El porcentaje de agua debe ser suficiente para asegurar contacto con impurezas insolubles en petróleo, principalmente sal y obtener una densidad óptima de gotas (gotas por unidad de volumen) en el campo eléctrico l El rango más satisfactorio es entre 5% y 7% con respecto a la carga del crudo l
SISTEMA DESHIDRATACION / DESALADO DOS FASES
SISTEMA DESHIDRATACION / DESALADO DOS FASES
DEMULSIFICANTES l l l l
Modifican la tensión superficial Actúan sobre los agentes emulsionantes Dispersan los sólidos que estabilizan la emulsión En este proceso se neutralizan las cargas repulsivas entre gotas con la aplicación de demulsificantes y se disminuye el número de sólidos filtrables que recubren las gotas con agentes humectantes; permitiendo la formación de gotas más grandes que precipitan más fácilmente.
PUNTOS DE INYECCIÓN DEL DEMULSIFICANTE Los demulsificantes deben ser aplicados en los puntos donde se asegure la máxima dispersión del químico en el fluido a tratar: Cabezal del pozo l Manifold l Recirculación l Otros l
SELECCIÓN DEL DEMULSIFICANTE l
Es necesario definir el tipo de emulsión. Se realiza a través de Pruebas de Botella que es un procedimiento que consiste en simular las condiciones de operación con diferentes demulsificantes, para identificar el químico con el cual se obtiene una mejor separación. También se usa para determinar dosis aproximadas de trabajo.
SELECCIÓN DE QUÍMICOS – PRUEBAS DE BOTELLA Defina los criterios de éxito l Simule el sistema l Realizar test de Relación l Realizar test de Eliminación l Realizar test de Confirmación l
SURVEY DEL SISTEMA DE PRODUCCIÓN Químico en uso: Dosificación, tipo, localización y problemas l Producción total de petróleo y agua: Número de pozos, zonas de producción, gravedad API, salinidad l Método de producción (flujo natural, gas lift, bombas electrosumergibles) l Vasijas de tratamiento, tiempo de retención y temperaturas l Pruebas actualizadas de los pozos l
SURVEY DEL SISTEMA (CONT) Contenido de parafinas, asfáltenos o sólidos l Pozos con mayor contenido de emulsión l Mejores puntos de muestreo l Otros químicos: Corrosión, incrustación, inhibidores de parafinas / programas l Marraneo (envío de cochinos), trabajos de acidificación, sistemas de recirculación l Recuperación secundaria y terciaria. l
DEL SURVEY DEL SISTEMA Para las pruebas de botella…. Determine temperaturas de tratamiento l Dosis de tratamiento, a menudo más altas que la dosis del sistema l Agitación l Tiempo de contacto o retención l
EQUIPOS PARA PRUEBAS DE BOTELLA l l
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Kit de químicos Químico “slug” (rompedor universal) Garrafa para muestras Botellas graduadas Baño de María Micropipetas dosificadoras Agitador mecánico
Equipo de seguridad l Centrífuga l Tubos API para centrífuga l Jeringas para el thief l Cánulas l Disolvente orgánico l Termómetros, probetas, beakers l
PROCEDIMIENTO GENERAL PARA PRUEBAS DE BOTELLA l
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Obtenga una muestra representativa y libre de químicos. Drene el agua libre. Llene las botellas hasta la marca de 100ml Caliente, añada el químico y agite Lea la caída de agua y la calidad de la interfase en las botellas durante el tiempo de calentamiento Al tiempo de retención, realice el thief (análisis de BSW), 15 ml encima de la interfase O/W
OBSERVACIONES EN LAS PRUEBAS DE BOTELLA Velocidad de caída de agua l Calidad de la interfase l Color del petróleo en la botella l Claridad del agua l Lecturas del thief (%BSW) l Presencia de sólidos l
SUGERENCIAS EN LAS PRUEBAS DE BOTELLA Verificar que los puntos de muestreo estén libres de químico l Que la muestra sea representativa del sistema l Que la muestra sea fresca l Simule las condiciones del campo (temperatura, agitación, tiempo de retención, etc) l Busque indicios o pistas de fallas del químico que se esté usando. l
PRUEBAS DE PLANTA (CAMPO) Realizar una prueba de botella con el químico a utilizarse l Recopilación y verificación de la información básica l Varios días antes de la iniciación de la prueba, recopile datos(BSW) de todos los puntos donde se obtendrán muestras durante el periodo de prueba l
PRUEBAS DE PLANTA (CAMPO) l
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Inicie la prueba con una cantidad de 110-120% del químico que se espera utilizar y permitir que el sistema se estabilice antes de bajar la rata Sea cuidadoso, monitore los resultados. No sobre reaccione a un resultado malo Monitorear los cambios de condiciones del sistema: Dosificación, flujos, temperaturas de equipos, perfil de BSW del sistema, etc. Lleva registros concisos y claros del funcionamiento del sistema durante la prueba
PETRÓLEO FUERA DE ESPECIFICACIONES (BAD OIL) El petróleo fuera de especificaciones normalmente puede ocurrir por: Problemas mecánicos l Problemas de los fluidos producidos l Problemas del químico l
PROBLEMAS MECÁNICOS Pérdida de calor en las vasijas l Pérdida de presión en las vasijas l Alto o bajo nivel de fluidos en las vasijas l Mal funcionamiento de las válvulas de drenaje l Acumulación de sólidos en las vasijas l Sondas eléctricas cubiertas por incrustaciones l Disminución del tiempo de residencia.Aumento de los fluidos producidos l Mal funcionamiento de las bombas de inyección l Líneas de inyección de químico l Nivel del tanque del químico l
PROBLEMAS DE LOS FLUIDOS PRODUCIDOS Aumento o disminución de los fluidos producidos l Recirculación de fondos de tanques, piscinas, drenajes, desnates de tanques, etc. l Trabajos en los pozos: acidificaciones, squeezes, lavados con solventes, sólidos, escapes en los revestimientos de los pozos, raspadores de parafina, completamiento de nuevas zonas productoras, nuevos pozos, baches de biocida, inhibidor de corrosión, lodos de completamiento de pozos l Espuma en los fluidos producidos l
PROBLEMAS DEL QUÍMICO l
Separación del químico por almacenamiento inadecuado
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Químico fuera de especificaciones
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Inyección de un químico no recomendado
APLICACIONES EN EL CAMPO Coloque el químico tan lejos como sea posible del tratador * y tan cerca del problema (pozos problema, dowhole, delante de los chokes, Knockouts, intercambiadores de calor, separadores) l Programa de inyección en múltiples puntos *Excepto productos demasiado rápidos, los cuales pueden reemulsionar. l
SOLUCIÓN DE PROBLEMAS Químico Formulación, contacto de agua, sobretratamiento, taponamiento de líneas l Malfuncionamiento mecánico Fallas en la bomba de inyección, control de nivel en los tratadores, escapes en líneas, válvulas de medida, válvulas de descarga, flow splitters l Cambios en la producción Limpiezas mecánicas, fluidos de fosas, marraneos, workovers l
CAMBIOS DE PRODUCCIÓN Trabajos de reacondicionamiento de pozos y trabajos de completamiento l Uso de polímeros l Vapor, inicio de pozos con vapor l Cambio en la relación Agua/petróleo/gas l Reemplazo de equipos de subsuelo l Fallas de tuberías de revestimiento (casing) l Nuevos tratamientos químicos l Iniciación de gas lift l
QUÍMICA DE LOS DEMULSIFICANTES Sulfonatos DDBSA (Dodecyl Benzene Sulfonic Acid) l Oxyalkylates Resinas, Polioles l Tratadores complejos Poliesteres, Oxialquilatos entrecruzados l Oxido de etileno: Incrementa la solubilidad en agua l Oxido de propileno: Incrementa la solubilidad en petróleo l
NUEVAS QUÍMICAS l
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Mayor peso molecular, funcionalidad Amigos del medio ambiente o verdes “green chemistries” Más costo - efectividad
