Capítulo 1 conceptos básicos de química

Escuela de Petróleo – Módulo O.T.A. (Obtención y Tratamiento de Agua)

Hoja 1

Realizado por MARTIN A. PEJCICH – FACUNDO NIZIEWIZ

CONCEPTOS BÁSICOS DE QUÍMICA

Elementos: Substancias que no pueden ser divididas para dar substancias simples. Son los descriptos

en la tabla periódica.

Compuesto: Sustancia compuesta por 2 o más elementos químicamente combinadas en proporciones

definidas por el peso. La suma de sus cargas debe ser 0.

Peso atómico: El peso atómico es una manera simple de comparar el peso de diferentes elementos con

el del C 12. Estos fueron determinados por la comunidad científica.

Peso molecular: Suma de los pesos atómicos de los elementos presentes en las moléculas.

Valencias: Medida de la cantidad de carga del elemento o ión con la capacidad de combinarse

químicamente.

Iones: Átomos o grupo de átomos que contienen carga eléctrica. Si la carga es positiva se denomina

Catión y si la carga es negativa: Anión.

Pesos equivalentes: Cuando los elementos se combinan lo hacen en forma proporcional de su peso:

Este permite determinar fácilmente la cantidad de reactante y producto en una reacción química. Este se

puede calcular para iones o elementos según la siguiente fórmula:

Peso equivalente: Peso Atómico .

Valencia

Para un compuesto se debe utilizar la siguiente fórmula:

Peso equivalente: Peso Atómico .

Valencia neta positiva

ACIDOS, BASES, SALES Y pH

Ácidos: Sustancia capaz de brindar iones Hidrógeno en una reacción química.

Bases: Son substancias que acepta iones Hidrógeno en una reacción química y se puede definir como

una sustancia que al disociarse en agua cede Hidroxilos. Lo ácidos y las bases se neutralizan

mutuamente dando sal + agua.


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Sales: Las sales son compuestos que contienen un ión positivo (que no es Hidrógeno) y un ión negativo

(que no es un hidroxilo o un ion de óxido). Tienen carga neutra.

pH: El pH es el logaritmo negativo de la concentración de iones Hidrógenos expresados en moles por

litro. Es un número adimensional que va desde 0 a 14. El valor 7 corresponde a un pH neutro, mientras

que a medida que nos acercamos a 0 la solución es más ácida. Medida que el valor es mayor que 7 la

solución es más básica o alcalina. Cabe destacar que se trata de una escala logarítmica y a modo de

ejemplo una solución que tiene pH 6,5,4 tienen 10, 100 y 1000 veces más acidez que una de pH 7.

pH = - log [H+]

PRINCIPALES CONSTITUYENTES DEL AGUA DE INYECCIÓN

Los componentes primarios de las aguas producidas dependen del agua específica que se produce, y

los componentes que se muestran en un análisis, a menudo dependen de la razón por la cual se realiza

el análisis del agua. La mayoría de los componentes han sido estudiados en forma extensa e

individualmente en varias oportunidades por muchas razones.

Por ejemplo, la preocupación con aguas de inyección tiende a realzar aquellos cationes que tienden a

formar sales o compuestos insolubles y que llevan a la obstrucción del sistema, mientras que el agua

que se elimina al océano se analiza fundamentalmente para determinar el contenido de aceite y grasa.

Los componentes normales y las propiedades de los mismos que se miden en laboratorio son:

Cationes Aniones Otras Propiedades

Calcio (Ca++) Cloruro (Cl-) pH

Magnesio (Mg++) Carbonato (CO3=) Sólidos en suspensión

(Cantidad, tamaño, forma, composición)

Sodio (Na+) Bicarbonato (HCO3-) Turbidez

Hierro (Fe++) Sulfato (SO4=) Temperatura

Bario (Ba++) Peso Específico

Estroncio (Sr+++) Oxígeno disuelto

Radio (Ra+++) H2S

Conteo Bacteriano

Contenido de Petróleo

5000 500 50 5 5 50 500 5000

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

Alcalinidad y Acides en función del pH

Nar

anja

De

met

ilo

Neu

tro

H=

OH

Fen

olf

tale

ina

AlcalinidadCarbonatos

Libre de mineralesAcidéz

AlcalinidadBicarbonatos

AlcalinidadHidróxidos

mg/lt

Escape de CO2

mg/lt


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Además se acostumbra medir la concentración de los sólidos disueltos totales (TSD), la cual es

simplemente la suma de las concentraciones de todos los iones individuales.

CATIONES

Sodio: Es el catión más abundante y por ende el mayor constituyente de las aguas de los yacimientos

petroleros. Si bien tiene relación directa con la conductividad del agua, generalmente no causa

problemas a excepción de su precipitación como NaCl en aguas de extrema salinidad.

Calcio: Puede llegar a 30.000 mg/lt o más. Los iones de calcio tienen uno de los grados de mayor

importancia en las aguas de recuperación secundaria, debido a que este se combina fácilmente con

diferentes aniones y precipita formando incrustaciones adherentes ( Ej.: Carbonato de calcio, Sulfatos

de calcio; CO3Ca, SO4Ca respectivamente) y sólidos suspendidos.

Magnesio: Usualmente se encuentra presente en una concentración mucho menor que el ión calcio.

Estos tienden a adherirse a a las incrustaciones de carbonato de calcio co-precipitando con el ión calcio.

Es muy común encontrar incrustaciones de carbonato de calcio y magnesio. Forma pares de iones con

los iones sulfatos evitando que (los que están en esta combinación) formen incrustaciones de sulfatos de

calcio, bario o estroncio.

Hierro: El hierro presente en forma natural en los yacimientos es, generalmente, muy bajo, y su

presencia es un indicativo de corrosión. Se puede encontrar en solución, suspendido o en forma de

compuestos como depósito en las instalaciones. La presencia de compuestos precipitados del hierro es

una de las mayores causas de taponamiento de la formación. El hierro también se combina con los

sulfatos y materias orgánicas para formar un lodo de hierro, y es particularmente susceptible de formar

lodos si hay ácidos presentes.

Bario: Es de extrema importancia, ya que tiene la habilidad de combinarse con el ión sulfato formando

sulfato de bario (SO4Ba) que es extremadamente insoluble. Aun en cantidades pequeñas puede generar

serios problemas.

Estroncio y Radio: pueden ser radioactivos y pueden concentrarse en moluscos tales como las ostras.

El estroncio al igual que el bario y el calcio, se puede combinar con el ión sulfato para forma sulfato de

estroncio que es muy insoluble. Si bien es más soluble que el sulfato de bario, es encontrado usualmente

en incrustaciones de sulfato de bario.

ANIONES

Cloruros: Es uno de los mayores constituyentes en aguas de formación e incluso es el mayor en el agua

potable. La mayor fuente es el NaCl y los cloruros son utilizados para determinar la concentración de

NaCl (salinidad) presente en el agua. La deposición de “sal” puede ser un problema pero normalmente


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no genera grandes inconvenientes. El mayor inconveniente que puede presentar es que a medida que

incrementa la cantidad de Cloruros, aumenta la corrosividad del agua.

Sulfatos: Tienen la habilidad de reaccionar con calcio, bario y estroncio para formar incrustaciones

insolubles. Además es el alimento de las Bacterias Sulfato Reductoras (BSR).

Bicarbonatos: Puede reaccionar con iones calcio, magnesio, hierro, bario y estroncio para formar

incrustaciones insolubles.

Carbonatos: Puede reaccionar con los mismos iones que el bicarbonato. Este ion se encuentra a pH

mayor que 8.3 por lo tanto es difícil de encontrar. Es u factor muy importante debido que a medida que

aumenta el pH aumenta la tendencia a incrustar.

OTROS CONSTITUYENTES

pH: Es de gran importancia por varias razones. La solubilidad del CO3Ca se ve afectada directamente

por el pH al igual que la solubilidad de los compuestos de hierro. A mayor pH mayor tendencia a

precipitar.

A medida que el pH baja, aumenta la tendencia a corroer del agua.

CO2 y H2S con gases ácidos, y bajan los valores de pH en el agua.

Los valores de pH varían rápidamente una vez que son retirados de un sistema presurizado (debido a

que se liberan gases disueltos) por lo tanto el pH debe ser medido inmediatamente de haber sacado la

muestra.

BSR: La presencia de bacterias sulfato reductoras es de gran importancia debido a que generan un gas

ácido corrosivo y venenoso (SH2), taponamiento del yacimiento, corrosión localizada. (MIC)

Sólidos Suspendidos: La cantidad de sólidos suspendidos se pueden determinar mediante un ensayo

por filtrado para estimar la tendencia taponante del agua.

Se puede determinar, también, el tamaño de la partícula como así también la composición de estos

sólidos y es de gran importancia ya que no da una idea del origen de estos sólidos (productos de

corrosión, incrustaciones, arena, petróleo etc.)

� CANTIDAD: importante en la determinación de la tendencia de un agua a producir obturación de

la formación.

• Se determina por filtrado a través de una membrana de 0,45 µm.

� DISTRIBUCIÓN DE TAMAÑO Y FORMA: importantes para definir que tipo de filtros usar.

� COMPOSICIÓN: permite determinar la procedencia de los mismos. Es importante para definir la

limpieza en caso de taponamientos.


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Turbidez: El significado es simplemente “agua que no está limpia” y este valor nos da una idea de la

cantidad de sólidos, materia orgánica o burbujas de gas presente en la muestra.

Oxígeno Disuelto: Contribuye en forma significativa a la corrosividad del agua además su presencia

genera la oxidación de hierro disuelto generando óxidos de hierro que precipitan pudiendo generar

taponamientos en la formación. El oxígeno favorece el crecimiento de bacterias aerobias.

Dióxido de Carbono (CO2): Tiene una influencia importante en el pH del agua, la corrosión y la

tendencia incrustante por CO3Ca.

Sulfuros: La presencia de sulfuros incrementa la corrosividad. Estos se encuentran presente en forma

de hidrogeno sulfuros (SH-) y como ácido sulfhídrico (H2S) en el agua y su determinación generalmente

está referida a ambas especies como “sulfuros totales”.Pueden estar presentes en el agua en forma

natural o estar formados por las BSR. Cuando el agua, que históricamente no tenía sulfuros, comienza a

tener valores del mismo, es indicativo de actividad bacteriana. El sulfuro de hierro es altamente

aglutinante y genera serios problemas de taponamiento de la formación.

El siguiente cuadro muestra las reacciones del ataque generado por la acción de los gases disueltos en

el agua de inyección, y sus respectivos subproductos de la corrosión.

Temperatura:

� Cuando sube la temperatura:

Baja la solubilidad de las sales de calcio, baja la solubilidad de los

gases en agua, baja la viscosidad, baja la densidad, aumenta la solubilidad de la mayoría de

los sólidos disueltos, aumenta la conductividad eléctrica.

Petróleo en agua: Generan problemas de taponamiento de la formación, genera pérdida de inyectividad

en forma severa, pudiendo causar “bloques de emulsión” en la formación. Esto sirve como un excelente

“pegamento” para ciertos sólidos como subproductos de la corrosión aumentando el poder taponante.

Fe2O

3

Fe

agua agua aguametal

Fe

H2S FeS CO

2Fe

2(CO

3)

3O

2FeO

Fe(HO)3

Fe2O

3

Fe

agua agua aguametal

Fe

H2S FeS CO

2Fe

2(CO

3)

3O

2FeO

Fe(HO)3

Fe

agua agua aguametal

Fe

H2S FeS CO

2Fe

2(CO

3)

3O

2FeO

agua agua aguametal

Fe

metal

Fe

metal

Fe

H2S FeS CO

2Fe

2(CO

3)

3O

2FeO

Fe(HO)3

Fe


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Fosfato (PO4-3): Raramente está presente en las aguas naturales, se encuentra en aguas tratadas por

dureza y es una medida de la concentración del producto de tratamiento.

Sulfito (SO3=): No está presente en las aguas naturales se encuentra en aguas con tratamiento para

secuestrar oxígeno (calderas, agua de inyección).

Principales diferencias de constituyentes en distinto tipos de agua

El punto más importante en el análisis de agua es el de representatividad de los resultados, para ello es muy importante tener conocimientos del sistema, de los puntos de muestreos, de la forma de muestreo, de las variables del sistema, y de la “historia” de los resultados.

TOMA DE MUESTRAS

� Para análisis químicos convienen los recipientes plásticos con tapa plástica. � Para análisis de contenido de petróleo en agua DEBEN SER DE VIDRIO. � NUNCA usar recipientes metálicos. � Se debe IDENTIFICAR LA BOTELLA, no la tapa. � Cuando embale las muestras para enviar al laboratorio tenga en cuenta si estarán sometidas a

temperaturas muy bajas o muy altas. Volumen de muestra

� Usualmente 500 ml son suficientes.

� Lleve muestra en exceso, nunca la estrictamente necesaria. Procedimiento general para Tubería, tanque, pozo de agua

Agua de río Agua de pozo Agua de mar Agua de formaciónEspecie

pH 7,8 8,2 7,8 5,1Conductividad (µS/cm) 252 1850 53000,00 227000

(ppm) (ppm) (ppm) (ppm)Sodio 21 344 10764 44714Potasio 3 0 390 0Calcio 22 85 412 10400Magnesio 4 13 1295 850Hierro 0,05 0 0 2Bario 0 0 0 2580Estroncio 0 0 8,76 3Cloruro 20,1 398 19378 91235Sulfato 42,2 26 2707 0Carbonato 0 0 0 0Bicarbonato 29,5 195 150 145Nitrato 1,8 2 <0.05 0Borato 0 0 0,43 0Fosfato <0,2 0 <0.005 0Sílice 12 16 <0.1TSD 155,65 1079 35105,19 149929

Fuerza iónica 0,002 0,05 0,7 2 a 4


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- Conectar una oliva con un trozo de manguera plástica translúcida a la válvula presente sobre la tubería.

- Abrir la válvula dejando correr el agua durante 1 minuto. - Observar el color del agua que sale y esperar hasta que el color sea constante.

Muestras para análisis químico de rutina:

- Enjuague la botella tres veces y coloque el extremo de la manguera contra el fondo de la botella. - Deje que desborde de la botella aproximadamente 10 veces su contenido. - Retire la manguera con cuidado cuidando de que la botella quede llena hasta el borde, tape

rápidamente y rotule. Muestras para análisis de petróleo en agua:

- Utilice una botella de vidrio. - Llene la botella directamente hasta el cuello, tape la misma y rotule. - La botella NO SE DEBE ENJUAGAR NI HACER REBALSAR.

Comentarios:

� Las muestras de puntos donde existe flujo continuo no deben sustituirse por muestras de tanques u otros sistemas con acumulación.

� Los tanques conviene muestrearlos a diferentes niveles. � Tome muestras cuando el sistema opere en forma normal.

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