DESHIDRATACION Y DESEMULSIFICACIÓN DE CRUDOS: GUNBARREL
LUIS FERNANDO ALVAREZ O. JORGE ANTONIO DIAZ C. ERICCKSSON BARAJAS M.
Presentado al profesor: Ing. ZAMIR QUICENA
Métodos de Producción II
Universidad Industrial de Santander
FACULTAD DE INGENIERÍA FISICO - QUÍMICA ESCUELA DE INGENIERÍA DE PETROLEOS
OBJETIVOS
Entender la importancia del proceso de deshidratación y desemulsificación del crudo en campo.
Aprender a diseñar un Gunbarrel.
Entender el funcionamiento y el principio de operación del Gunbarrel.
Determinar los parámetros de diseño para la optimización de procesos en producción.
Reconocer cada uno de los componentes que conforman el Gunbarrel.
INTRODUCCIÓN
Actualmente más del 70% de la producción mundial de crudos se obtiene en forma de emulsión. La presencia de agua en el crudo ocasiona serios inconvenientes técnicos y económicos, pero afortunadamente se dispone de los medios adecuados para contrarrestarlos. Este equipo de producción es esencial dentro del tratamiento del crudo previendo una mejor calidad del mismo y facilitando su posterior procesamiento en las plantas de refinación. Al equipo al que hacemos referencia es al denominado Gunbarrel, utilizado según las conveniencias y capacidades de un campo específico. El tratamiento es una de las áreas de mayor importancia dentro de las facilidades de superficie proporcionando la deshidratación y el procesamiento de emulsiones, problema común y siempre presente dentro de cualquier campo petrolero.
DESHIDRATACIÓN – DESEMULSIFICACIÓN DE CRUDOS
Origen del agua en el crudo: Actualmente en los campos de producción y según la etapa de recuperación, el agua proviene de cualquiera de las dos fuentes siguientes:
Agua de la formación. Agua de inyección (dulce o reciclada).
¿Cómo se presenta? Agua libre (baches, es una mezcla) Agua emulsionada (en pequeñas gotas) Impurezas en el crudo: OLEOFILICAS: Hidrocarburos (S, O, N, V) Asfáltenos, gomas, resinas. Compuestos Nafténicos. HIDROFILICAS: Salmuera (Cloruros de Na, Ca y Mg) Otras sales inorgánicas (SO 4,, CO3) Sedimentos (arcilla, arena, lodo de perforación) Sólidos filtrables (sulfuros metálicos y óxidos) Metales pesados (V, Ni, As) PROBLEMAS QUE CAUSAN LAS IMPUREZAS:
Corrosión (sales, ácidos Nafténicos, gases disueltos (H 2S, CO2) Incrustaciones (CO3, SO4, de Ca, Mg, y Ba principalmente)
Ensuciamiento (sedimentos, gomas, resinas, sólidos filtrables) Taponamiento (parafinas) Desactivación de catalizadores (As, Ni, V) Erosión (arenas, sólidos) Mayor consumo de energía en calentamiento (H 2O)
La mezcla de agua y aceite: El agua y el aceite son inmiscibles y se separan en forma natural y espontánea por diferencia de densidades si las gotas de la fase dispersa alcanzan un tamaño crítico (mayores de 1-5 micrones). Si el tamaño de las gotas es menor que el tamaño crítico, las gotas no se separan y forma una emulsión de aceite en agua o de agua en aceite. Emulsiones: Una emulsión es una combinación de dos líquidos inmiscibles, por ejemplo agua y aceite. Uno de los líquidos está disperso en forma de gotas en el otro líquido. El líquido disperso se llama fase discontinua o fase interna. El líquido que contiene la fase dispersa se llama fase continua o fase externa. Ejemplo:
Emulsión de agua en aceite: Fase discontinua o interna: Agua Fase continua o externa: Aceite Emulsión de aceite en agua: Fase discontinua o interna: Aceite Fase continua o externa: Agua
Una emulsión estable es aquella que no puede romperse sin algún tratamiento. Tres condiciones son necesarias para la formación de una emulsión estable: 1. Los líquidos deben ser inmiscibles. 2. Debe haber suficiente agitación para dispersar un líquido como gotas en el otro. 3. Debe haber un agente emulsificante presente. De esta forma, para formar una emulsión estable de crudo y agua, un agente emulsificante debe estar presente. Los agentes emulsificantes comúnmente encontrados en las emulsiones de petróleo incluyen asfaltos, sustancias resinosas, ácidos orgánicos solubles en aceite y otros materiales finamente divididos que son más solubles o dispersables en el aceite que en el agua. Algunos sólidos finamente divididos son el hierro, zinc y los sulfatos de aluminio, el carbonato de calcio, la sílice,
y sulfuro de hierro. Cada uno de estos emulsificadores usualmente actúa como una película en las superficies de las gotas dispersas. Una emulsión de agua y aceite puede presentar a cualquiera de los dos como la fase dispersa dependiendo de las características del agente emulsificante, pero en la mayoría de los casos es el agua la que está dispersa como gotas en el crudo. También una emulsión puede ser fuerte (difícil de romper) o débil (fácil de romper). Si una emulsión es débil o fuerte depende de varios factores, los cuales incluyen las propiedades del aceite y agua, el porcentaje de cada uno en la emulsión, y del tipo y cantidad de emulsificador presente. Ocasionalmente emulsiones producidas por algunos campos son de tipo inverso, en las cuales el aceite es la fase interna y esta disperso como gotas en el agua. A veces, pero muy raramente, el aceite en una emulsión dual en la cual la fase dispersa son gotas de emulsión de aceite en agua y la fase externa es aceite. En una emulsión de agua en aceite hay dos fuerzas en oposición directa. Una es la película del agente emulsificante que envuelve las gotas de agua, la cual trata de evitar que estas se junten conformando una gota de mayor tamaño. La otra fuerza es la tendencia opuesta de las gotas a coalescer. Las gotas más grandes ceden a la fuerza de gravedad y se depositan. Además para romper una emulsión de petróleo las propiedades del agente emulsificante deben ser neutralizadas o destruidas de manera que las gotas de agua puedan unirse. Muchos procedimientos para la neutralización del agente emulsificante han sido desarrollados. La ruptura de una emulsión depende de dos procesos. Sedimentación y coalescencia. Las gotas de la fase dispersa tienden a flotar o decantar dependiendo de si es menos o más pesado que la fase continua. La rapidez con que flotan o se decantan depende de varios factores y se puede calcular aproximadamente con la ecuación de stokes: V = D2 (d1 – d2) g µ
D= D1 y d2 = µ= g=
Diámetro de la gota Densidad de las fases Viscosidad de la fase continúa Gravedad
La temperatura aumenta la velocidad de separación. VELOCIDAD DE SEPARACIÓN DE GOTAS
Temp. (°C) 93 121 149
∆d
µ (Cp)
0.040 0.037 0.032
28 13 7.2
Para temperatura = 93°C Diámetro D 2D 3D
∆d = 0.040
velocidad relativa V 2V 3.1V µ = 28 Cp
velocidad relativa V 4V 9V
Estabilidad de las emulsiones La estabilidad de las emulsiones, o su resistencia a ser destruidas depende de varios factores, que son: Agente emulsificante Viscosidad Gravedad especifica Porcentaje de agua Edad de la emulsión Agente emulsificante Determina cuan estable es la emulsión. En efecto sin un agente emulsificante la formación de una emulsión estable seria imposible. Muchas sustancias causan la formación de una emulsión estable; asfalto, carbón, varios tipos de sales, ácidos orgánicos, arcillas y partículas sólidas finamente divididas, son unos pocos de los muchos agentes emulsificantes que existen en las emulsiones de campo. Destrucción del agente emulsificante Muchos procedimientos para la neutralización y destrucción del agente emulsificante han sido desarrollados, los más comunes son:
Aplicación de químicos
Donde se parte de 2 teorías principales. La primera sugiere que se debe adicionar un agente emulsificante que trate de invertir la emulsión, es decir, si tenemos una emulsión de agua en crudo, adicionar un agente emulsificante que trate de convertirla en una emulsión de crudo en agua para neutralizarlo. La otra teoría parte de adicionar un químico que haga rígida la película del agente de manera que al adicionar calor, la gota al expandirse la rompa fácilmente. Aplicación de calor Mediante la adición de calor lo que se busca es, partiendo de la teoría del movimiento Browniano, que las partículas aumenten su velocidad y por consiguiente el choque entre ellas, hasta llegar a un punto en el que estos choques sean capaces de romper la película envolvente del emulsificador y hacer mas fácil la coalescencia.
Aplicación de la corriente eléctrica Como todos sabemos la película del agente emulsificante esta compuesta de moléculas polares igual que una barra magnética. Mediante la aplicación de un campo eléctrico estas moléculas se tratan de ordenar y agrupar de acuerdo a las cargas rompiéndose de esta forma la película del agente y favoreciendo la coalescencia.
Viscosidad Viscosidad de un líquido se define como la resistencia a fluir. Entre mas alta sea la viscosidad mas grande va a ser la resistencia de un líquido a fluir. Una gota de agua se mueve más rápidamente en un líquido de baja viscosidad que en uno de alta viscosidad, de esta forma influye la viscosidad en la estabilidad de una emulsión. Gravedad especifica La gravedad específica es la densidad de una sustancia comparada con la densidad del agua a la misma temperatura. Si tenemos una emulsión de agua en aceite, en un crudo pesado (alta gravedad API), las gotas tienden a mantenerse más en suspensión que en un crudo liviano (baja gravedad API), dificultando su decantación. Por otro lado, tenemos que aguas ligeras decantan mas rápidamente que aguas saladas, de lo cual concluimos que seria preferible tener en emulsiones aguas ligeras (frescas). Porcentaje de agua Entre mas porcentaje de agua tenga la emulsión mas agitación es necesaria para emulsificar completamente el agua. También se tiene que para una emulsión con un alto porcentaje de agua hay un gran número de gotas por unidad de volumen lo que facilita la coalescencia de las mismas. En general el porcentaje de agua es inversamente proporcional a la estabilidad de la emulsión. Edad de la emulsión
Las emulsiones en aceite se estabilizan más a medida que pasa el tiempo. Se recomienda por lo tanto tratarlas lo más pronto posible para destruirlas más fácilmente. Principios básicos del tratamiento El termino tratamiento se refiere a algún procedimiento diseñado para separar algún material extraño del crudo. Este material puede ser sal, arena, sedimentos, y otras impurezas en el crudo. El tratamiento puede incluir los siguientes procedimientos: 1. Dejando el tiempo de asentamiento y drenando el agua separada. 2. Aplicando calor. 3. Aplicacion de electricidad. 4. operando diversos dispositivos mecánicos, tales como un barril, tanques de lavado, fwko, etc. 5. Adicionando diluentes para reducir la viscosidad. TANQUES DE ASENTAMIENTO GUNBARREL:
Básicamente, un tanque de lavado, o más comúnmente llamado Gunbarrel, es un tanque de asentamiento provisto de una serie de equipos que nos permite observar y analizar las desemulsificaciones del crudo.
Existen grandes estudios en parte para estos equipos debido a que presentan principales principios de rompimiento de emulsiones y a su vez pueden ser observadas a través de un análisis de una descripción de pasos en el Gunbarrel. En general, el Gunbarrel esta compuesto por cinco partes principales, cada una de las cuales presenta su propia función o más propósitos específicos.
La línea de entrada: Es la tubería que conduce la emulsión (agua y aceite) desde el separador que contiene gas y aceite hasta el Gunbarrel.
La tubería conductora (también conocido como boot, flume o pila) es una tubería larga a través de la cual la emulsión pasa antes de entra al fondo de Gunbarrel. El boot puede ser montado en cualquier parte, tanto interior como exterior del tanque y funciona para tres principales propósitos: • Separar el gas de la emulsión en el interior de la tubería conductora y
reducir la turbulencia, que proviene el fluido desde el separador, dentro del cuerpo del cuerpo. • Esta funciona como un tanque agitador para prevenir pegas de emulsión
siendo expulsadas hacia el Gunbarrel, es decir, aquellas gomas o pedazos de pegas que provienen de separador no quedan atrapadas dentro de la tubería conductora, si no que pasan o se descargan directamente al fondo del tanque del Gunbarrel. • La expansión o incremento de la emulsión y su disipación dentro del
tanque del Gunbarrel ocurre a través de un spreader o como un delantal que esta pegado cerca del fondo del tanque y permite hacer pasar la emulsión a través del agua libre y su libre movilización.
El cuerpo: o tanque contiene el agua de lavado (o capa de agua), emulsión y capas de aceites limpios y permite llevar un control de tiempos para el aceite y el agua por separado.
La salida del agua: también llamado patada de agua o sifón exterior posee dos principales funciones: • Suministrar una salida para el agua que se ha separado de la emulsión • Es usado para regular la cantidad de agua contenida en el Gunbarrel.
La línea de salida para el aceite: permite conducir el aceite limpio del Gunbarrel hacia los tanques de almacenamiento.
La mayoría de los Gunbarrel tiene varias partes importantes, tales como equilibradores de gas entre el tanque y la tubería conductora, teniendo en cuenta que debido a seguridad industrial, las líneas son independientes y se envían a sistemas de venteo diferentes, líneas de gas, líneas de sangrado y medidores barométricos. PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO Los principios en el cual el Gunbarrel opera o funciona son muy estudiados e investigados buscando dentro de los pasos o caminos de la emulsión a través del tanque y su descripción en cada proceso. Asumiendo que para el tanque de asentamiento se presenta como si fuera una sola separación principal del agua y el aceite, y que no intervienen otros factores como el calor o químicos adicionales, aunque frecuentemente los químicos son inyectados y el sistema de transferencia de calor es instalado dentro del sistema antes de que la emulsión pase a través de ella y llegue hasta el Gunbarrel. Agentes emulsificantes: Dentro de los activantes de la superficie que alteran la interfase agua-aceite tenemos: Carbonatos de calcio Sulfato de aluminio Silica Sulfato de hierro Ácidos solubles en aceites
Sistemas térmicos: El principio básico es debilitar y romper las películas que envuelven las gotas de agua y permite: Aumentar la diferencia de densidades Reducir la viscosidad del aceite Dilatación en la película Reducción de la tensión superficial. Como la emulsión que proviene del separador, entra por la línea de entrada hacia la tubería conductora, estará sujeta a una presión atmosférica. Para ello es necesario contrarrestar la presión que proviene del separador de aceite y gas, la cual esta
localizada en la corriente de emulsión delante del Gunbarrel, dentro de ello, algún gas que viene fuera de solución se producirá por la caída de presión con la entrada de la emulsión en el Gunbarrel. Este gas es llevado hacia fuera a través de la línea exterior de gas y dicho gas es venteado o pasa a un sistema de acumulación de gas. Solo se va a permitir el paso de flujos de fluidos hacia la parte de abajo dentro de la tubería conductora para entrar en el gunbarrel y este va a estar próximo o cerca del fondo del tanque. Un spreader, expansor o difusor esta frecuentemente situado en el fondo de la tubería conductora para extender o propagar la emulsión que esta distribuida en el agua libre a través del tanque de lavado. Si el spreader, no estuviera aquí la emulsión no podría cambiar a través del free-water contenido en el gunbarrel en una columna larga. El expansor esta usualmente situado a dos pies del fondo del tanque, en esta profundidad se trata de sumergir totalmente el spreader profundamente como sea posible en el agua, manteniendo claro esta, una distancia prudente debido al pegado que pueda acumularse en el fondo del tanque. El diámetro del spreader depende del tamaño del cuerpo del tanque del gunbarrel, usualmente cerca de 40 o 70% del diámetro del tanque, pero algunos son más pequeños. Algunos rompimientos de emulsión ocurren con la entrada de esta, cuando entra en contacto con la superficie del spreader, el flujo en el centro pasa a los bordes exteriores del spreader. El spreader es diseñado para que la emulsión emerja o surja de esta en muy pequeñas corrientes; dichas corrientes de emulsión pasan y se levantan a través del free-water y ocurre algún rompimiento de la emulsión al entrar en contacto cerrado entre la emulsión y el free-water. Algunos de los glóbulos de agua son lavados y se separan del aceite y va permitiendo que el aceite se limpie y va a continuar su camino hacia la parte superior del tanque. Por encima del free-water que contiene el gunbarrel, hay o existen dos capas de líquidos, el tope de la capa superior contiene aceite limpio y la capa de abajo es la capa que contiene la emulsión. Estas no están claramente definidas y están un poco mezcladas de una a la otra.
Al subir o elevarse la emulsión rápidamente a través del free-water, las corrientes pequeñas de emulsión mueren o desaparecen por la diferencia de gravedades específicas de los dos líquidos, aceite limpio y free-water (aceite mas claro que el agua) y este va alrededor de la capa de emulsión presente por encima de la capa del free-water. En la capa de emulsión, el cambio a través de su recorrido es lento y el agua remanente va quedando a fuera. El aceite que es claro en la emulsión debido a que se va elevando hacia el tope superior y luego pasa a través de la línea de salida del aceite hasta el tanque de almacenamiento. En resumen, la acción que ocurre en el tanque del gunbarrel para separar aceite y agua esta dividido en dos partes principales:
Lavado Asentamiento
El lavado es hecho en la capa del free-water y el asentamiento ocurre en la capa de emulsión. Debido a que todas las emulsiones no son parecidas o semejantes y no presentan las mismas características y propiedades, en el contenido del free-water en el gunbarrel, estas pueden ser estabilizadas, es decir, las gotas de agua sean aún más pequeñas. El lavado tiene pequeños o casi pocos efectos en ciertas emulsiones, sin embargo en tal caso, una muy pequeña cantidad de free-water en el tanque solo es necesaria. Por otra parte, algunas emulsiones se rompen completamente por debajo del lavado. Y esto es ventajoso al tener una cantidad grande de free-water en el tanque. Diseño del GunBarrel La finalidad en sí del diseño del gunbarrel, se basa en la obtención de los siguientes parámetros: Producir aceite con un BS&W < 0.5% La pureza de cada componente dependerá del tiempo que cada uno gaste en el Tk de asentamiento. La ubicación del nivel de la interfase fijará el tiempo Para un alto nivel de la interfase: el tiempo de asentamiento del aceite es menor y por ende el tiempo de asentamiento del agua será mayor y viceversa.
El nivel de interfase es controlado con una pierna de agua la cual puede ser ajustada para cambiar la altura de la misma:
Pierna de Agua: h fH
2
ρ = hGBH O + hGBoil * rel oil ρ rel H O .
0
2
.
2
Donde: : Altura de la pierna de Agua. hGBH O : Altura del agua en el GunBarrel. hGBoil : Altura de Aceite en el GunBarrel. ρ rel : Densidad Relativa del componente. h fH O 2
2
Diámetro:
F * Qo * µ d = 81.8 * ( ) SG d * ∆ m
1/ 2
2
Donde: F Qo μ ΔSG dm d
: Factor corto – circuitante (1 para d < 48 in., y >1 para d > 48in.) : Rata de flujo de aceite [bopd] : Viscosidad del aceite [cp] : Diferencia entre gravedades específicas del aceite y el agua : Diámetro de las gotas de agua [micrones] : Diámetro del tanque, [in]
Tiempo de retención: d 2 * h =
F * ( t r ) o * Qo 0.12
Donde: tr F Qo H d
: Tiempo de retención, [min] : Factor corto – circuitante (1 para d < 48 in., y >1 para d > 48 in.) : Rata de flujo de aceite [bopd] : Altura de la sección de coalescencia : Diámetro del tanque, [in]
Tamaño de las gotas de agua:
d m1%
= 200 * µ
Para μo > 80 cp
d m1%
= 170 * µ
Para 3 cp < μo < 80 cp
0.25
0.4
EJERCICIOS 1.
En el gunbarrel que se muestra, la altura total del líquido dentro del tanque es la elevación de la línea de salida del aceite, el cual es 5.5 m [18 ft]. Determine la altura de la pierna de agua a la cual el nivel de interfase se halle justo a la mitad del gunbarrel. Las densidades relativas del aceite y del agua salada son 0.85 y 1.05 respectivamente.
Altura de capa de aceite Altura de capa de agua Densidad relativa de aceite Densidad relativa de agua
Sustituyendo:
h fH
2
0.5*5.5=2.75 m. 0.5*5.5=2.75 m. 0.85 1.05
ρ = hGBH O + hGBoil * rel oil ρ rel H O .
0
2
.
h fH O 2
h fH O 2
2
= (2.75)+[(2.75)*(0.85/1.05)] = 4.98 m
2. Calcule el diámetro del gunbarrel dados los siguientes datos: Gravedad del aceite:
40º API
Tasa de flujo de aceite: Temperatura del aceite a la entrada: Gravedad específica del agua: BS&W a la entrada: BS&W a la salida: Viscosidad del aceite:
Calculo la GE del aceite GE =
141.5
+
131.5 º API
= 0.825
Calculo el diámetro de las partículas de agua; como la viscosidad del aceite es 7.0 entonces empleo la segunda ecuación d m1%
2000 [bpd] 90º F 1.04 10% 1% 7.0 [cp]
= 170 * µ = 170 * 7 = 370 0.4
0.4
Asumiendo F = 1.2 Teniendo todos los parámetros entonces calculo: 1/ 2
F * Qo * µ d = 81.8 * 2 ( ∆SG ) * d m
1/ 2
1.2 * 2000 * 7 = 81.8 * 2 ( 0.215) * 370
= 61.8
CONCLUSIONES
La presencia de emulsiones en campo es un factor frecuente y como tal se deben diseñar dispositivos que permitan el tratamiento de dichas emulsiones.
El Gunbarrel es un dispositivo de deshidratación y desemulsificación de crudos.
Se puede ubicar inmediatamente después de un tratador que le facilite por medio de la adición de calor la labor de asentamiento.
Su diseño es tema de estudio debido al proceso de la ruptura de la emulsiones.
Los principios básicos del funcionamiento fisicoquímicos son: Lavado y Asentamiento.
El nivel de interfase será controlado con una pierna de agua.
BIBLIOGRAFIA
KEN ARNOLD, Surface Operation, págs. 151 – 154.
ICP (Ecopetrol), Design of oil – Handling Systems and Facilities, Reviewed for the 1998 edition by Mary E. Thro of Paragon Engineering Services, Inc.
ICP (Ecopetrol), Treating Oil Field Emulsions
ICP (Ecopetrol), Oil Treating Manual P-3
http://www.Sivalls.com
