Manejo y tratamiento de lodos y ripios producidos en la etapa de perforación de pozos petroleros
Introducción
El siglo XX ha sido el siglo del petróleo. En los últimos 100 años, el mundo desarrollado se ha construido en torno a las aplicaciones del petróleo y, cada vez más, del gas natural. Tanto el número de países como de compañías involucradas en nuevas actividades de explotación de petróleo se ha triplicado en los últimos años. Mientras tanto, científicos de todo el mundo reconocen que la utilización de este recurso es la principal responsable del cambio climático en la tierra con sus gravísimas consecuencias para el medio ambiente y la salud de sus habitantes. La explotación petrolera en todas sus etapas está destruyendo ecosistemas, amenazando la salud de la población.
En Latinoamérica, la búsqueda y producción de petróleo se ha incrementado considerablemente en la última década y ésta tendencia parece que va a mantenerse en el futuro inmediato, ya que las necesidades de hidrocarburos continúan creciendo.
Los riesgos para la salud que entraña la explotación petrolera están directamente relacionados con los impactos que se producen al medio ambiente, como por ejemplo, la contaminación por ripios y lodos, desechos producidos en la etapa de perforación, que son difíciles de degradar de manera natural por la complejidad de su estructura y pueden actuar como contaminantes si no son manejados de manera adecuada.
Aunque la explotación petrolera conlleva de por sí numerosos riesgos ambientales, dependerá de la inversión que se haga en la protección medio ambiental para que éstos sean mínimos.
Descripción del problema
A medida que aumenta el poder del hombre sobre la naturaleza y aparecen nuevas necesidades como consecuencia de la vida en sociedad, el medio ambiente se deteriora cada vez más. Los procesos de industrialización a nivel mundial han producido un incremento alarmante en el volumen de desechos, amenazando potencialmente la integridad de los recursos naturales. En los últimos años los gobiernos a nivel mundial han comenzado a preocuparse por los aspectos ambientales, buscando la forma de minimizar los impactos sobre el ambiente y las comunidades.
En Venezuela, la empresa Petróleos de Venezuela S.A (PDVSA), ejecuta actividades relacionadas con la explotación del petróleo, dentro de las cuales se encuentra la perforación. Esta genera una serie de desechos como los lodos y ripios de perforación que si no reciben el manejo, tratamiento y disposición adecuada pueden alterar de manera negativa el medio ambiente y a corto, mediano o largo plazo pueden ocasionar problemas tanto legales como económicos hacia la empresa.
Por tal razón, se pretende estudiar el manejo y tratamiento de lodos y ripios de perforación, que lleven a alcanzar la calificación de ambiente sano.
En el mismo sentido, el trabajo se limita a la identificación de los desechos que se generan en la perforación, su adecuado manejo, caracterización fisicoquímica,
métodos de tratamiento aplicables a cada uno de ellos y monitoreo.
Proceso de Perforación
La única manera de saber realmente si hay petróleo en el sitio donde la investigación geológica propone que se podría localizar un depósito de hidrocarburos, es mediante la perforación de un hueco o pozo.
Este proceso se inicia acondicionando el terreno mediante la construcción de plataformas y los caminos de acceso, puesto que el equipo de perforación moviliza herramientas y vehículos voluminosos y pesados.
El tiempo de perforación de un pozo dependerá de la profundidad programada y las condiciones geológicas del subsuelo. En promedio se estima entre dos a seis meses.
La perforación se realiza por etapas, de tal manera que el tamaño del pozo en la parte superior es ancho y en las partes inferiores cada vez más angosto. Esto le da consistencia y evita derrumbes, para lo cual se van utilizando brocas y tubería de menor tamaño en cada sección. Así, por ejemplo, un pozo que en superficie tiene un diámetro de 26 pulgadas, en el fondo puede tener apenas 8.5 pulgadas.
[pic] Fases de la perforación.
Durante la perforación es fundamental la circulación permanente de un "lodo de perforación", el cual da consistencia a las paredes del pozo, enfría la broca y saca
a la superficie el material triturado. Ese lodo se inyecta por entre la tubería y la broca y asciende por el espacio anular que hay entre la tubería y las paredes del hueco.
El material que saca sirve para tomar muestras y saber qué capa rocosa se está atravesando y si hay indicios de hidrocarburos. Durante la perforación también se toman registros eléctricos que ayudan a conocer los tipos de formación y las características físicas de las rocas, tales como densidad, porosidad, contenidos de agua, de petróleo y de gas natural.
Igualmente se extraen pequeños bloques de roca a los que se hacen análisis en laboratorio para obtener un mayor conocimiento de las capas que se están perforando.
Para proteger el pozo de derrumbes, filtraciones o cualquier otro problema propio de la perforación, se pegan a las paredes del hueco, por etapas, tubos de revestimiento con un cemento especial que se inyecta a través de la misma tubería y se desplaza en ascenso por el espacio anular, donde se solidifica.
La perforación debe llegar y atravesar las formaciones donde se supone se encuentra el petróleo. El último tramo de la tubería de revestimiento se llama "liner de producción" y se fija con cemento al fondo del pozo.
Al finalizar la perforación el pozo queda literalmente entubado (revestido) desde la superficie hasta el fondo, lo que garantiza su consistencia y facilitará posteriormente la extracción del petróleo en la etapa de producción.
El común de la gente tiene la idea de que el petróleo brota a chorros cuando se
descubre, como ocurría en los inicios de la industria petrolera. Hoy no es así. Para evitarlo, desde que comienza la perforación se instala en la boca del pozo un conjunto de pesados equipos con diversas válvulas que se denominan "preventoras".
Desde el momento en que se inicia la investigación geológica hasta la conclusión del pozo exploratorio, pueden transcurrir de uno a cinco años.
La perforación se adelanta generalmente en medio de las más diversas condiciones climáticas y de topografía: zonas selváticas, desiertos, áreas inundables o en el mar. Cuando se descubre el petróleo, alrededor del pozo exploratorio se perforan otros pozos, llamados de "avanzada", con el fin de delimitar la extensión del yacimiento y calcular el volumen de hidrocarburo que pueda contener, así como la calidad del mismo.
La perforación en el subsuelo marino sigue en términos generales los mismos lineamientos, pero se efectúa desde enormes plataformas ancladas al lecho marino o que flotan y se sostienen en un mismo lugar. Son verdaderos complejos que disponen de todos los elementos y equipo necesarios para el trabajo petrolero.
En la exploración petrolera los resultados no siempre son positivos. En la mayoría de las veces los pozos resultan secos o productores de agua. En cambio, los costos son elevados, lo que hace de esta actividad una inversión de alto riesgo.
Equipo de perforación
De acuerdo con la profundidad proyectada del pozo, las formaciones que se van a atravesar y las condiciones propias del subsuelo, se selecciona el equipo de perforación más indicado.
Los principales elementos que conforman un equipo de perforación, y sus funciones, son los siguientes:
• Torre de perforación o taladro: Es una estructura metálica en la que se concentra prácticamente todo el trabajo de perforación.
• Tubería o "sarta" de perforación: Son los tubos de acero que se van uniendo a medida que avanza la perforación. • Brocas: Son las que perforan el subsuelo y permiten la apertura del pozo.
• Malacate: Es la unidad que enrolla y desenrolla el cable de acero con el cual se baja y se levanta la "sarta" de perforación y soporta el peso de la misma.
• Sistema de lodos: Es el que prepara, almacena, bombea, inyecta y circula permanentemente un lodo de perforación que cumple varios objetivos: lubrica la broca, sostiene las paredes del pozo y saca a la superficie el material sólido que se va perforando.
• Sistema de cementación: Es el que prepara e inyecta un cemento especial con el cual se pegan a las paredes del pozo tubos de acero que componen el revestimiento del mismo.
• Motores: Es el conjunto de unidades que imprimen la fuerza motriz que
requiere todo el proceso de perforación.
Origen de los desechos de perforación
Lodos de Perforación
Es un líquido que circula por la sarta del taladro, en bajada a través de la broca y vuelve a subir por el espacio anular a la superficie.
Existen dos tipos de lodos o fluidos de perforación: lodos base agua y lodos base aceite. La composición química precisa de los lodos varía pozo a pozo, o aun dentro de un mismo pozo, pero los componentes más utilizados incluyen: arcilla, baritina y aditivos químicos.
Muchos de los aditivos son altamente tóxicos y pueden incluir anticorrosivos, espesantes, bactericidas y sustancias químicas para regular el PH. Los desechos producidos por los lodos de perforación pueden hallarse mezclados con petróleo y sales provenientes del pozo y pueden ser altamente alcalinos.
En la superficie, los lodos se separan de los ripios por medio de una zaranda vibratoria, luego el lodo es reacondicionado para su reutilización.
Los lodos de perforación se bombean al pozo durante la perforación con varios propósitos: lubricante y refrigerante a la herramienta de corte (broca), levantar la roca cortada por la broca hasta la superficie, evitar el derrumbe de las paredes del pozo y crear un peso adicional sobre la broca que le ayude a avanzar en el corte y una contrapresión que evite que los líquidos provenientes del subsuelo (aguas de
formación, crudo o gas) fluyan sin control hacia la superficie.
El lodo de perforación pasa a ser un desecho, una vez que ha culminado su vida útil.
Ripios de Perforación
Durante el proceso de perforación, se extraen también los ripios de perforación, que son las rocas molidas por la broca del taladro, que son traídas a la superficie por los fluidos; los cuales se componen de areniscas, arcillas, lutitas, carbonatos y haluros. Estos ripios están empapados de los fluidos de perforación que se estén usando y los que sueltan los equipos de separación mecánica, más el exceso de lodo de perforación. En algunos casos, se han encontrado incluso mezclados con sustancias radioactivas.
Estudios realizados establecen que la composición química de los desechos de perforación normalmente contienen cantidades considerables de una variada gama de contaminantes tóxicos, como aluminio, cadmio, arsénico, plomo, antimonio, bario, cadmio, cromo, cobre, magnesio, mercurio, níquel, zinc, benceno, fenatrena y otros hidrocarburos, así como niveles tóxicos de sodio y cloruros.
Los lodos y ripios de perforación como problema ambiental
La contaminación de los cuerpos de agua y suelos por la producción de hidrocarburos es bastante preocupante debido a la falta de interés de mejoramiento tecnológico en las compañías o concesionarios o quizá también porque no está orientada la conciencia ambientalista a nivel del personal que
opera los campos y pozos.
Uno de los principales problemas ambientales de la actividad petrolera es la contaminación generada por lodos y ripios de perforación. Estos productos suelen depositarse en piscinas de recolección excavadas en la tierra las cuales son recubiertas con material impermeable. Un sistema de tratamiento inadecuado puede ocasionar que estos desechos sean eliminados directamente al medio ambiente o bien se viertan al mismo por rotura de la piscina o rebalsamiento debido a las lluvias.
Los lodos de perforación contienen sustancias químicas que pueden ser tóxicas y sumamente alcalinas, así como también pueden hallarse mezclados con petróleo y sales provenientes del pozo. De ser mal manejados, estos desechos pueden contaminar notablemente ríos, riachuelos, lagunas y acuíferos, además de la formación que se está perforando.
En corto tiempo, la contaminación masiva del segmento de un río puede tener un grave impacto en las especies migratorias. La alteración química del agua de un pequeño curso puede volverla inadecuada para la fauna que depende de ella, poniendo en riesgo de extinción a especies adaptadas a nichos ecológicos reducidos.
Uno de los riesgos más importantes de la contaminación química es que el agua contaminada puede infiltrarse en las aguas subterráneas. Este factor representa un perjuicio potencial muy importante, especialmente para las poblaciones humanas que en muchos casos se abastecen de estos recursos.
Los ripios de perforación se comprenden principalmente de arenas, arcillas,
minerales y aditivos. Cada pozo que se perfora produce una media de 4.000 metros cúbicos de desechos procedentes del interior de la tierra. El mayor inconveniente en este caso no se produce por el volumen de sólidos que se generan, sino por la toxicidad de estos, ya que estuvieron en continuo contacto con el fluido de perforación, por lo que es muy común tener cortes impregnados de aceites u otro contaminante.
Al estar en contacto con el suelo, ocasiona pérdida parcial o total de nutrientes, afectando de forma directa la vegetación y los organismos que en él residen.
En un estudio realizado por la Universidad de Exeter y Greenpeace en Sumatra, Indonesia, se encontraron importantes niveles de contaminación del suelo y distintas fuentes de agua por distintos tipos de químicos durante la fase de perforación. Durante los 20 años de explotación petrolera de la compañía Texaco en Ecuador, abrió en la región amazónica más de 600 piscinas llenas de sustancias tóxicas sin ningún tipo de revestimiento; esta situación ocasionó que se derramaran al medio ambiente procedente de estas piscinas más de 20 millones de galones de desechos tóxicos.
Técnicas para tratamientos de ripios y fluidos de perforación para su disposición final
• Landfarming
Es una técnica de biotratamiento cuyo fundamento técnico se basa en la degradación de fracciones livianas de hidrocarburos, por comunidades bacterianas.
Durante la operación de Landfarming los materiales contaminados son esparcidos en una superficie de suelo, o son extraídos del lugar y apilados sobre una superficie impermeable para evitar contaminación de las capas de suelo o aguas que se encuentran por debajo. Las poblaciones de microorganismos naturales del suelo (bacterias, hongos, protozoarios) crecen en el material usando el contaminante como fuente de alimento, transformándolo en productos inocuos. La marcha del proceso se estimula, monitorea y controla mediante los siguientes parámetros: mezclado, cubierta impermeable del suelo, contenido de humedad, nivel de oxigenación, nutriente, pH, capacidad de carga de aire del suelo y temperatura.
El proceso de landfarming tiene una serie de ventajas como son: su bajo costo, no dejar residuos posteriores, no provocar (si se realiza en condiciones controladas) riesgos de contaminación y puede resultar una técnica susceptible de emplearse en una gran variedad de condiciones climáticas. Sin embargo, también presenta inconvenientes o desventajas, como es el elevado tiempo necesario para eliminar los hidrocarburos.
• Esparcimiento (Landspreading)
Es una técnica de biotratamiento. Este método consiste en el esparcimiento e incorporación del lodo en base agua en la capa arable. El esparcimiento se realiza mediante un sistema aspersor y luego se le da un tratamiento igual al Landfarming.
• Incineración
La incineración es el proceso por el cual se queman materiales peligrosos a fin de
destruir contaminantes nocivos. La incineración también reduce la cantidad de material que se necesita eliminar en un vertedero controlado.
Un incinerador es un tipo de horno que quema materiales, como suelos contaminados, a una temperatura controlada lo suficientemente elevada como para destruir contaminantes.
Los gases producidos en el incinerador pasan a través de un equipo de control de contaminación de aire donde se elimina cualquier metal, ácido y partícula de ceniza remanente. Tales desechos son nocivos y deben desecharse en forma adecuada en un vertedero autorizado. Los otros gases más limpios, como el vapor de agua y el dióxido de carbón, se liberan al aire a través de una chimenea.
El suelo o la ceniza remanente después de la incineración se puede eliminar en un vertedero o enterrar en el sitio. La cantidad de material que requiere eliminación es muy inferior a la cantidad inicial de material contaminado.
[pic] Proceso de incineración.
• Dewatering
El Dewatering o Sistema de Deshidratación de lodos consiste en separar la fase líquida de la sólida de los fluidos de perforación mediante procedimientos físicoquímicos. Los procedimientos químicos consisten en la aplicación de polímeros coagulantes y floculantes para desestabilizar las cargas eléctricas y aglutinar las partículas (floculación). El procedimiento físico consiste en centrifugar el fluido floculado para
separar las dos fases. Este tratamiento se realizará solamente cuando el lodo base agua no se pueda continuar reciclando.
El agua obtenida del Dewatering puede ser reciclada en forma de dilución en el proceso, retornada al sistema activo de lodo o transferida a los tanques de almacenamiento de agua de perforación para su uso como dilución.
El objetivo primordial del Dewatering, es procesar los lodos de perforación para: • Reducir el volumen de los desechos líquidos generados • Re-utilización del lodo • Disposición de los sólidos y lodos • Descarga en la fosa de lodos de manera ambientalmente segura.
El sistema de Dewatering consta de un tanque provisto de tres compartimentos en el cual, el primer compartimento tendrá la función de almacenar lodo descartado, en el segundo se recibe el agua del dewatering y tendrá la función de trampa de sólidos para sedimentar los flóculos remanentes, el tercer compartimento tendrá la función de tanque de tratamiento.
Una vez obtenida el agua del dewatering se realizarán pruebas de compatibilidad con el lodo de perforación para reciclarla inmediatamente, si el agua no es compatible se realizará el tratamiento de clarificación para su posterior disposición.
Los flóculos depositados en el fondo del tanque serán evacuados periódicamente cada vez que se acumule un 20% de la capacidad del tanque, estos serán bombeados mediante bomba neumática al primer compartimento, para deshidratarlos por el sistema.
Desorción Térmica
La desorción térmica es una técnica utilizada para tratar la tierra contaminada con desechos peligrosos calentándola a una temperatura de 90°C a 540°C a fin de que los contaminantes con un punto de ebullición bajo se vaporicen (se conviertan en gases) y, por consiguiente, se separen de la tierra (EPA, 1996). Los contaminantes vaporizados se recogen y se tratan, generalmente con un sistema de tratamiento de emisiones.
La desorción térmica es más eficaz en remover hidrocarburos livianos, aromáticos y otros compuestos volátiles que los hidrocarburos pesados. Cuando el limo y la arcilla se calientan, emiten polvo, que pueden perturbar el equipo para emisiones que se usa para tratar los contaminantes vaporizados. Además si el suelo es muy compacto, el calor a menudo no llega a entrar en contacto con todos los contaminantes, de modo que es difícil que se evaporicen.
La desorción térmica no es buena opción para tratar contaminantes tales como metales pesados, que no se separan fácilmente de la tierra contaminada y ácidos fuertes que pueden corroer el equipo utilizado para el tratamiento.
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Normativa legal ambiental para el tratamiento de ripios de perforación
El Ministerio Del Poder Popular Para El Ambiente tiene como objetivo principal garantizar el racional aprovechamiento de los recursos naturales mediante su administración sistemática y el mejoramiento del ambiente y de la calidad de vida
para lo cual utiliza mecanismos que le permiten ejercer la vigilancia, supervisión y control sobre la utilización y el deterioro de los recursos para los cuales haya otorgado autorización de intervención o afectación.
Para este control se basa en leyes y decretos, entre los cuales tenemos:
Normas para el Control de la Recuperación de Materiales Peligrosos y el Manejo de Desechos Peligrosos. Decreto N° 2635.
El objetivo de este decreto es regular la recuperación de materiales peligrosos y el manejo de desechos, cuando ambos presenten características, composición o condiciones que puedan poner en peligro y representen un riesgo para la salud y el ambiente. Este decreto busca dar orientación en cómo manejar la generación, el transporte y la disposición o tratamiento de desechos peligrosos. Estos estándares tienen la finalidad de reducir la generación de desechos, desarrollar el reciclaje, reutilización y mejor uso de los materiales peligrosos en la forma de materiales peligrosos recuperables, y de gobernar el tratamiento y disposición final, cumpliendo con los estándares de seguridad para evitar el poner en peligro a la salud humana o al ambiente.
Además, este decreto en su capítulo III contiene normas específicas que regulan el manejo de los desechos peligrosos que resultan de las operaciones de exploración y producción de petróleo. El objetivo de estas normas es establecer los estándares para el manejo de dichos desechos y las condiciones para su disposición. Una de las soluciones que busca este decreto, es disponer estos desechos en el área donde son generados o en áreas cercanas, dada la gran cantidad de desecho que se maneja.
Ley sobre Sustancias, Materiales o Desechos Peligrosos
La Ley N° 55 o Ley sobre Sustancias, Materiales y Desechos Peligrosos tiene como objeto regular la generación, uso, recolección, almacenamiento, transporte, tratamiento y disposición final de las sustancias, materiales y desechos peligrosos, así como cualquier otra operación que los involucre, con el fin de proteger la salud y el ambiente. También son objeto de regulación por esta ley, aquellas sustancias y materiales peligrosos y otros similares que vayan a ser utilizados con fines agrícolas, industrial, de investigación científica, educación, producción u otros fines.
Esta ley establece las disposiciones que regirán: • El uso y manejo de las sustancias, materiales y desechos peligrosos. • El transporte y almacenamiento de las sustancias, materiales o desechos peligrosos. • El control de las actividades que utilicen o generen sustancias, materiales y desechos peligrosos. • Las sanciones aplicables por incumplimiento.
Manejo y tratamiento de los ripios de perforación
Para explicar el procedimiento que se lleva a cabo para el manejo de los ripios y lodos de perforación, se considera el utilizado en el Centro de Tratamiento y Recuperación de Desechos (CTRD) de PDVSA, el cual consta de tres etapas: recepción, tratamiento y disposición final.
• Procedimiento para el manejo y tratamiento de los ripios de perforación
a. Recepción
1) Los ripios generados por el taladro, son trasladados al CTRD mediante camiones alto vacío, los cuales recogen estos de las canoas bajo el equipo de control de sólidos en el taladro de perforación. 2) Se verifica el estado físico de los ripios y se selecciona el lugar de la descarga. Si los ripios son muy líquidos, se disponen en un tanque que alimenta un sistema de separación sólido/líquido (zaranda). De allí se obtiene una fracción líquida que va a tratamiento y una fracción sólida que va a las celdas de almacenaje. Los ripios sólidos o semisólidos se descargan directamente en los corrales de recepción de ripios, donde son mezclados con material seco (suelo natural o ripios ya tratados y que cumplen con la norma). El agua que todavía puedan contener los ripios se separa en los corrales de recepción y pasa a un canal de desagüe. 3) El agua que se separa de los ripios en los corrales de recepción, se almacena en un canal posterior a estos, de allí es llevada a través de una bomba de diafragma a las unidades de tratamiento. 4) En los corrales de recepción de ripios, se toma una muestra y se determina el contenido elementos presentes en los ripios. En la tabla se observa los resultados de una caracterización físico-química realizada a los ripios de perforación base agua de un pozo petrolífero.
Caracterización inicial de ripios base agua y su comparación con el art. 50 del decreto 2635.
