Tr atami tamie en to de ag ag ua Producció roducción nI
Profesor: Msc. Andrés González Macas
Contenido 2.1.2.1.- Genera Generalid lidade ades s 2.2.- Tratamiento Tratamiento del Agua producida para Descarga o Inyección (Vapor) 2.3.- Equipos Equipos de tratamiento tratamiento de agua agua 2.4.- Químicos Químicos para el Tratam Tratamiento iento del Agua
Tratamiento de Agua Diagrama iagrama Típico pic o de un Proc Proce eso de Producc rod ucción ión en un Campo Petrolero trolero GasAcido Remoción Remoción de Sulfuro
Venteo Sulfuro
Gas
Tratamiento
Deshidratación
Transporte
Remoción Remoción de Condensados Condensado Estabilización
Petróleo
Pozos
Recolección
Separación
Deshidratación
Agua
Arena
Desnatación
Limpieza
Desalación
Filtración
Estabilización
Ablandamiento Desaereación
Disposición
Compresión Transporte Reinyección Venteo Almacenamiento Transporte
Almacenamiento Transporte
Disposición Reinyección
Operación de Facilidades de Producción en Superficie
FACILIDADES DE TRATAMIENTO DE AGUA Las aguas de efluentes del Proceso de Deshidratación, requieren ser tratadas para la remoción del crudo presente (libre y emulsionado), así como otros contaminantes antes de su utilización ó disposición.
Operación de Facilidades de Producción en Superficie
Operación de Facilidades de Producción en Superficie
Procesos de Acondicionamiento y Manejo de Agua de Formación Generalidades La
calidad del agua de formación varia con: La geología. La geografía. Las técnicas de producción. El tipo de hidrocarburo producido.
El
agua puede contener: Petróleo disperso. Gases disueltos. Metales y Sales. Microorganismos Sólidos suspendidos etc.
Procesos de Acondicionamiento y Manejo de Agua de Formación Generalidades Los riesgos ambientales que se presentan en el manejo y disposición del agua de formación son: La
eventual contaminación de acuíferos en el proceso de inyección a formaciones receptoras.
La
contaminación de cuerpos receptores si no se cuenta con un tratamiento adecuado para su limpieza (Mar, océanos, ríos, lagos).
La
contaminación del suelo cuando producen derrames accidentales en transporte.
se su 57
Procesos de Acondicionamiento y Manejo de Agua de Formación Generalidades La tendencia mundial coincide en que las opciones óptimas para la disposición del agua congénita asociada a la producción de hidrocarburos son: Su
inyección en formaciones receptoras
subterráneas. Su
disposición, previo tratamiento efectivo,
en el mar.
Procesos y Tecnologías de Tratamiento de Agua (Aguas de Producción) El Proceso de Tratamiento consta básicamente de:
•
Separadores API y de Placas.
•
Tanques Desnatadores.
•
Sistemas de Flotación.
•
Filtros.
•
Desaireadores
Mayores Impurezas en el Agua de Producción
Gases disueltos (CO2, H2S, O2)
Sólidos disueltos (TDS)
Sólidos suspendidos (TSS)
Petróleo (oil and grease)
Micro-organismos(BSR)
Mayores Impurezas en el Agua de producción Alto
contenido de sólidos disueltos
Alta
tendencia a incrustaciones
Mezcla de diferentes aguas de producción
Mezcla de aguas de producción con aguas superficiales
Problemas de corrosión/Control de corrosion
Control de crecimiento aerobicas/B. anaerobicas)
bacteriano
(B.
Composición Típica de Aguas de Producción
Componente
Composición
Agua
90 to 99.9%
C. Orgánicos
0.1 to 0.2 %
Sales
100 to 350,000 ppm
Sólidos
10 to 50 ppm
Bacterias
10,000 colonies/ml
Propiedades típicas del agua de producción Párametro
Valor
Producción de agua
10,000 BPD
Petróleo (34 ºAPI) en agua
1,000 ppm
Sólidos (SG =2.0)
100 ppm
Orgánicos disueltos
10 ppm
Sólidos totales disueltos (SG = 1.03)
50,000 ppm a 100 ºF y 100 psig
Usos del Agua de Producción Reciclo:
Disposición:
Generación de vapor
Acuiferos
Recuperación Secundaria
Rios/Lagos
Oceano
Re-inyección (disposal)
Agricultura
Plantas de Proceso
El uso final del agua producida determinará su requerimiento de calidad.
Comportamiento de la Producción de Agua Agua producida durante el ciclo de vida de un sistema de producción de petróleo Gas Petróleo d a d i t n a C
Agua Tiempo
Objetivos del Tratamiento del Agua para Proyectos de Recuperación Secundaria
Disminuir el contenido de petróleo (oil content) según requerimientos del yacimiento
Disminuir el contenido de sólidos suspendidos con base en los requerimientos del yacimiento.
Estudiar las interacciones químicas (Compatibilidad/Indices de incrustaciones) precipitados e incrustaciones.
Remover el oxígeno para minimizar las tasas de corrosión.
Efectuar control de bacterias y microorganismos para evitar corrosión y taponamiento del yacimiento
Optimizar costos de capital y de operación.
del agua para evitar
Procesos de Tratamiento de Agua de Producción (Reducción del Contenido de Aceite y Sólidos) Mecanismos de Separación/Tratamiento
Diferencia de Gravedad Específica
Flotación
Mejoramiento Gravitacional
Captura Física (Filtración)
Tratamiento químico
Equipos de Tratamiento de Agua de Producción
Separación por gravedad
Platos de coalescencia
de flujo cruzado Separadores de flujo mixto
Precipitadores Filtros /Coalescedores Coalescedor de Flujo turbulento libre De gas disuelto Gas con dispersión hidraulica
Separación gravitacional mejorada
Separadores
Celdas de flotación con gas
Intercepetores de platos paralelos Interceptores de platos corrugados
Coalescencia mejorada
Tanques desnatadores SeparadoresAPI
Hidrociclones
Filtración
Multicapa
Dispersión
Centrifugas Membranas
mecánica del gas
Equipos de Tratamiento de Agua de Producción
Los equipos están diseñados básicamente en base a:
•
Crudo Libre.
•
Tamaño de gotas de crudo en la emulsión.
•
Diferencia de Densidades.
•
Temperatura.
•
Caudal de Agua.
Principios de Tratamiento del Agua de Producción
La separación del petróleo y sólidos suspendidos se efectúa mediante procesos físicos. Las operaciones unitarias básicas utilizadas en los tratamientos primarios: Separación por gravedad, coalescencia, flotación y filtración. La ley de Stokes es aplicable para calcular la velocidad de ascenso (separación de las partículas de petróleo).
Petróleo Suspendido/Separación (Ley de Stokes) V t
1.78 x 10
6
SGd p
2
Vt
Vt : Velocidad Terminal de separación (pies/s) Dp : Diámetro de gotas de petróleo ( m) SG : Diferenc ia de gravedad específic a del petróleo y el agua μ : Viscosidad de la fase continua (agua), cp
Factores que afectan la separación según ley de Stokes
Tamaño de las gotas
Temperatura (viscosidad, densidad)
Principios de Tratamiento del Agua de Producción
El nivel de tratamiento a aplicar dependerá de los requerimientos de calidad del agua con base en su uso final, asi como del contenido de petroleo y sólidos suspendidos en la fuente de agua (entrada).
Equipos de Tratamiento del Agua (Separación por Gravedad) Tecnología
Propósito
Tanques desnatadores
Mitigar cambios de flujo
Desnatadores horizontales
Liberar gas del líquido
Desnatadores verticales
Reducir contenido de petróleo
Separadores API
Suministrar asentamiento de sólidos
Tanque Desnatador (Skimmer Tank) Sistemas constituidos por tanques cilíndricos, con distribuidores y paredes internas para incrementar el tiempo de residencia y lograr la separación del crudo del agua.
Petróleo Agua + Petr ól eo Agua Skimer Tank
Tanque Desnatador (Skimmer Tank) Esquema General de un Skimmer Tank ank Presentan en la parte superior, recolectores del crudo separado. Existe otro diseño que se asemeja en su funcionamiento a un Separador API.
Tamaño de got g otas as >150 m
Sólidos >50 m
Tiempo retención retención (30 (30 min)
Sistema istemass Onshore
Desnatador Vertical (Vertical Skimmer) Parámetros Funcionamiento
Tamaño de got g otas as >150 m
Sólidos >50 >50 m
Tiempo retención retención <10 <10 min.
Sistemas istemas Onshore / Offshore
Desnatador Horizontal (Horizontal Skimmer) Parámetros Funcionamiento
Tamaño de got g otas as >150 m Solidos Solid os >50 >50 m Tiempo Rete Retenció nción n <10 <10 min.
Sistemas istemas Onshore / Offshore
Separadores API Son tanques rectangulares diseñados para la remoción de gotas de crudo con diámetros > 150 μ.
Tamaño de gotas >150 m Sólidos >50 m Tiempo Retención: > 20 min.
Separadores API
Consideraciones sobre Skim Vessels Separación por Gravedad Los recipientes desnatadores (Skim vessels se recomiendan cuando: Se
requiere reducir la presión desde un separador para proteger equipos de tratamiento de aguas que se encuentren aguas abajo.
Para Un
desgasificar el agua y controlar arremetidas (surges).
recipiente disponible puede ser convertido en desnatador
Cuando Se
el contenido de petróleo en el agua es alto (500 – 2000 ppm)
tiene contaminación por sólidos .
No se recomiendan cuando:
El tamaño de gotas en la entrada es principalmente menor a 100 µm
La temperatura del agua es muy baja
Ecuaciones Diseño de Equipos Desnatadores (Skimmer Sizing)
Diseño de Equipos Desnatadores (Skimmer Sizing) Ecuaciones de diseño (Skimmer) Recipiente cilindrico horizontal (50% Llenado) d L eff =
1000 Qw ( SG ) d m 2
d 2 L eff = 1.4 (tr )w Qw
Donde: d = Diámetro del recipiente, in d m = Diámetro de las gotas de petról eo, m Qw = Flujo de agua, BPD L eff = Longitud efectiva de separación, pies = Viscosidad del agua (cp) SG = Diferencia de gravedad específic a petróleo-agua
(tr )w = Tiempo de retención, minutos
Diseño de Equipos Desnatadores (Skimmer Sizing) Ecuaciones de diseño (Skimmer) Tanques rectangulares (sección cruzada) W L eff =
70 Qw ( SG ) d m 2
W2 L eff = 0.008 (tr )w Qw
Donde: W = Ancho del tanque, pies d m = Diámetro de las gotas de petról eo, m Qw = Flujo de agua, BPD L eff = Longitud efectiva de separación, pies = Viscosidad del agua (cp) SG = Diferencia de gravedad específica petról eo-agua
(tr )w = Tiempo de retención, minutos
Equipos Coalescentes Separación por Gravedad/Coalescencia
Diseño de Equipos Coalescentes Separación por Gravedad/Coalescencia Tecnología Interceptores de plato corrugado Corrugated Plate Interceptors (CPI) (Upflow or Downflow)
Proposito
Separación primaria de petróleo del agua
Separadores de plato Matrix Hidrociclones Líquido/Líquido Hidrociclones Sólido/Liquid
Separación primaria de sólidos libres de petróleo del agua
Diseño de Equipos Coalescentes Separación por Gravedad/Coalescencia Platos de Coalescencia Los Separadores de Placas, consisten en modificaciones hechas a los separadores API, al colocarles placas internas para mejorar la coalescencia de las gotas de crudo.
Diseño de Equipos Coalescentes Separación por Gravedad/Coalescencia Down Flow CPI •
Tamaño de gotas
(30 – 50 m)
Platos a 45º Angulo
Separación Platos (18mm)
Material del empaque de platos 316SS o FRP
Diseño de Equipos Coalescentes Separación por Gravedad/Coalescencia
Down Flow CPI
Diseño de Equipos Coalescentes Separación por Gravedad/Coalescencia Corrugated Plate Interceptor (CPI) CPI plate pack
Diseño de Equipos Coalescentes Separación por gravedad/Coalescencia
Up Flow CPI •
Tamaño de gotas
(30 – 50 m) •
• •
Remoción de sólidos (Gravedad) Platos a 60º Angulo Espaciamiento Platos (25 mm) Material el empaque de platos 316SS o FRP
Diseño de Equipos Coalescentes Separación por Gravedad/Coalescencia Separadores de Plato Tipo Matrix (Gravedad) •
Tamaño de gotas (30 – 50 m ) • Solidos 25-50 m • Velocidad: 1 –3 ft/min
Aplicaciones Onshore / Offshore •
Consideraciones adicionales sobre CPI Separación por Gravedad/Coalescencia CPI son r ecomendados cuando:
Flujo de agua estable (Desde bombas)
Existen servicios y equipos para realizar limpieza de los platos
El contenido de petróleo en el agua es alto y requiere ser removido
hasta 150 mg/l para ser alimentado a un equipo de tratamiento secundario.
Contenido de arena es menor de 110 ppm
CPI no se recomiendan cuando:
El tamaño principal de gotas en la alimentación es inferior a 30 micrones.
El tamaño y peso son restricciones.
Diámetros de partículas de arena son menores a 25 micrones y se requiere remoción de sólidos como objetivo primario.
Equipos Mejoradores Separación Gravitacional Hidrociclones
Hidrociclones Líquido/Líquido
Mejoran efecto gravitacional de separación Transforman presión en fuerza centrífuga No es sensible a movimientos o surge No se requiere químicos ni potencia Se obtiene una corriente de rechazo de petróleo (2% del flujo de agua) Axsia/Natco/Kvaerner/Baker
Hidrociclones (Mejoramiento Separación Gravitacional) Hidrociclones El mecanismo de separación dentro
del
hidrociclón
está
controlado por la ley de Stokes. Sin embargo en un hidrociclón la
fuerza gravitacional es del
orden
de 1000 –2000 gs más
alto que
los separadores por
gravedad convencionales. Multiliner hydrocyclone vessel
Hidrociclones (Mejoramiento Separación Gravitacional)
Funcionamiento típico de hidrociclones n ó i c a r a p e S e d r o t c a F
Diámetro partículas (micrones)
Hidrociclones (Mejoramiento Separación Gravitacional)
Funcionamiento típico de hidrociclones
Hidrociclones (Mejoramiento Separación Gravitacional) Criterios de Aplicación de Hidrociclones 1. Tamaños de partículas de petróleo mayores a 30 micrones. 2. Presión mínima del agua: 100 psig. 3. Espacio Físico Crítico. 4. En instalaciones con movimiento (Tension leg platforms or floating production facilities. 5. Concentración de sólidos en el agua es baja. 6. No se tiene cantidades apreciables de gas en el agua. 7. Los flujos de agua y contenido de petróleo son constantes.
Equipos de Flotación (Induced Gas Flotation Units)
En estos sistemas, la separación de crudo emulsionado del agua, es lograda mediante inyección de aire ó gas en pequeñas burbujas dentro de la fase acuosa.
Equipos de Flotación (Induced Gas Flotation Units)
Remoción de Petróleo disperso (Flotación) Tecnología
Proposito
Unidades de Flotación Inducción Hidraulica del Gas IGF (Horizontal Hydraulic) IGF (Horizontal Sparged) Single Cell Hydraulic IGF Hydraulic Column IGF MPE Sparged Column IGF
Unidades de Flotación Inducción Mecánica del gas
Separación de petróleo del agua
Separación de sólidos cubiertos de petróleo
Unidades de Flotación (Induced Gas Flotation Units) Criterios de Aplicación de unidades de flotación El
contenido de petróleo en la entrada no debe ser muy alto
(250 –500 mg/L). El
contenido de petróleo en la descarga normalmente es de
(25 –50 mg/l).
Costos de potencia de bajo a moderados
Las diferencias de densidades entre el petróleo y el agua son
bajas (crudos pesados).
Equipos de Flotación (Induced Gas Flotation Units)
•
El aire (gas) es disuelto a saturación en una parte del agua mediante cámaras a presión.
•
Mediante distribuidores ubicados en el fondo del tanque, el agua saturada del aire (gas), es descargada en el cuerpo del agua que se encuentra a presión ambiente.
•
Un gran número de gotas de aire (gas) al ascender hasta la superficie arrastran al crudo emulsionado.
Unidades de Flotación (Induced Gas Flotation Units)
Unidades de Flotación (Induced Gas Flotation Units)
IGF (Horizontal Hydraulic) • • •
Contenido de Petróleo entrada: 200-300 ppm Contenido de petróleo salida: 20-30 ppm 90-98% Eficiencia de Remoción
Unidades de Flotación (Induced Gas Flotation Units)
IGF (Horizontal Hydraulic)
No posee partes internas en movimiento
Posee deflectores internos para evitar Short Circuiting
25-50 % del agua es recirculada para aumentar el tiempo de contacto con el gas
Sistemas internos para dispersión de burbuj as de gas
Sistema de drenaje de petróleo por vertedero (Mechanical Spillover Weirs for Oil Removal)
Recipientes verticales para mejorar la recolección de sólidos
Unidades de Flotación (Induced Gas Flotation Units)
IGF (Vertical Hydraulic)
Se usan en etapas finales de tratamiento para remover petróleo y sólidos antes de disposición a sistemas de agua tratada.
Recomendables para espacios críticos (offshore installations).
FILTRACIÓN DE AGUA Tecnología
Proposito
Filtración (multi-medios)
Filtros Nutshell
Remover partículas sólidas y gotas de petróleo del agua.
Filtros Cartridge
Separar sólidos cubiertos de petróleo
FILTRACIÓN DE AGUA Los Filtros utilizados para la remoción de sólidos se pueden clasificar en : - Presión - Gravedad Dependiendo de su uso:
Equipos de Filtración de agua (Multi-Media Filter) Multi-Media Filter
Máximo cont. petróleo (Inlet oil 30-50 ppm)
Cont. Petróleo salida (outlet oil < 5ppm)
Remoción de hasta 98% 510 m
Distribución uniforme del flujo
Requiere retrolavado con agua limpia (Backwash)
Combinaciones de Antracita/arena/granate
Equipos de Filtración de agua (Multi-Media Filter) Secuencia de retrolavado
Es ampliamente utilizado para: – Eliminar las trazas de Cloro y agentes Oxidantes. – Eliminar Olores y Sabores del agua. – Eliminar Hidrocarburos solubles
Equipos de Filtración de agua (Nutshell Filter) Nutshell Filter
Efectivo para la remoción de petróleo Maneja petróleos parafinosos
Tasas de Flujo/Área (30 - 35 m 3/m 2/h)
No requiere surfactantes
Sensible a biocidas
El medio de filtración está formado por cascara de Nuez
Equipos de Filtración de agua (Nutshell Filter) Nutshell Filter
Flujo normal descendente
Nutshells son recirculados mediante una bomba para su limpieza
El agua contaminada pasa a través de una malla para ser drenada
Los nutshell limpios se retornan al recipiente de filtración
Secuencia Típica de Lavado del Nutshell
Desoxigenación •
Las aguas de Formación cuando van a ser utilizadas en procesos de inyección, requieren de la remoción del oxigeno disuelto y del CO2, para evitar problemas de corrosión en líneas y equipos.
•
Básicamente los desaireadores para esta aguas, están conformados por una torre con placas ó platos internos ó rellena de anillos de empaques, de cerámica ó metal.
•
El agua entra por el tope de la torre, por el fondo se inyecta gas a baja presión en contracorriente, el cual remueve el oxígeno y el CO2, a medida que el agua va cayendo en cascada a través del relleno.
Desoxigenación DESAIREADOR DE VACIO/PLATO
Los gases incluido el oxígeno, son removidos mediante la aplicación de vacío a las torres.
Tratamiento Químico Adicional del Agua Químicos
Proposito
Dosis (ppm)
Punto de Inyección
Polielectrolitos
Ayudante Filtración
1- 2
Antes de Filtros
Coagulantes
Ayudante Filtración
0.5 – 1
Antes de Filtros
Hipoclorito/Cl2
Control Biológico
5 -10
Succión de bombas de Levantamiento
Antiespumante
Control Formación deEspuma
0.5 - 2
Entrada Desoxigenadora
Secuestrante de Oxígeno
Reducción O2 Residual
5 - 10
Tanque de la desoxigenadora
Biocida
Control Biológico
400 por 4 horas
Varios Lugares
Inhibidor de Incrustaciones
Control de Incrustaciones
Inhibidor de Corrosión
Control de corrosión
10 - 20
Aguas abajo de la bomba de inyección
10 -20 ppm
Aguas abajo de la bomba de inyección
Diseño Plantas de Tratamiento de Agua Parámetros Requeridos para el Diseño
Flujo de Agua
Presión
Temperatura
Contaminantes(In/outlet)
Análisis
Químico
Densidad
Análisis
del tamaño de Partículas (Particle Size Analysis)
Petróleo/Agua
Presión disponible/requerida.
Presión y temperaturas (Oper.)
Sólidos/Oxigeno/Bacterias. Aniones-Cationes-pH
Petróleo –Sólidos.
Esquemas de Tratamiento de Agua Gas
Part. > 150 m and oil < 100 ppm
Part. < 5 m and < 5 ppm oil
Part. < 30 m
F I L T E R
Chem.
Secondary recovery purpose Disposal Injection
Metodos de tratamiento de agua de producción vs. Tamaño de partículas
Histograma de distribución de gotas de petróleo en agua
Distribución Tamaño de Partículas-Gotas Distribución típica del tamaño de partículas de petroleo por volúmen
Distribución lineal del tamaño de partículas de petroleo por volúmen
