Crudos Pesados en Latinoamerica y Sus Efectos en Los Materiales

Crudo Pesado en Latinoamérica y su Influencia en los Materiales

Sergio Andrés NavarroJorge Leonardo Archila

Sergio Eduardo Cárdenas

M.Sc. Oscar Rey Castellanos | Estructura y Propiedades de los Materiales

AGENDA

• Introducción• Petróleo• Crudos Pesados• Procesos de producción del crudo pesado• Distribución de las reservas de crudo pesado.• Crudos pesados en América latina.• Problemas asociados a los crudos pesados.• Tecnologías para tratamiento de crudos pesados.• Conclusiones• Bibliografía

A medida que las reservas mundiales de crudo se agotan, los crudos pesados van tomando valor y han motivado a la industria a encontrar nuevas tecnologías para su extracción. Producir este tipo de crudos es un reto, debido a su alta viscosidad, por eso se han utilizado métodos de recobro mejorado que en algunos casos traen consecuencias como aumentos grandes de temperatura y generación de agentes corrosivos.

Fuente: Boletín de Energía. En línea: www.aniq.org.mx

INTRODUCCIÓN

EL PETRÓLEO

Compuesto químico complejo en el que coexisten partes sólidas, líquidas y gaseosas.Cuyos componentes primarios son compuestos hidrocarburos, formados por átomos de carbono e hidrógeno, además de trazas de nitrógeno, azufre, oxígeno y algunos metales. Se presenta de forma natural en depósitos de roca sedimentaria.

TIPOS DE CRUDO• Según la gravedad API

Tipo de aceite Densidad Gravedad API

Extrapesado >1.0 10

Pesado 1.0-0.92 10-22.3

Mediano 0.92-0.87 22.3-31.1

Liviano 0.87-0.83 31.1-39

Condensado <0.83 >39

EL PETRÓLEO

TIPOS DE CRUDO• Según el contenido de azufre

Petróleo dulce: Es aquel que contiene menos de 0.5% de contenido en azufre.

Petróleo agrio: Es aquel que contiene al menos 1% de azufre en su composición.

EL PETRÓLEO

CRUDOS PESADOSEl Crudo pesado o crudo extra pesado es cualquier tipo de petróleo crudo que no fluye con facilidad. De manera general se puede decir que el crudo pesado presenta un índice API inferior a 20°, lo que significa que su densidad relativa es superior a 0,92.

Fuente: Crudo Pesado. Oilfield Review, Schlumberger.

PROCESOS DE PRODUCCIÓN DEL CRUDO• Recuperación Primaria - Pozos horizontales y multilaterales.

Fuente: Crudo Pesado. Oilfield Review, Schlumberger.

- CHOPS (Cold Heavy Oil Production with Sand)

PROCESOS DE PRODUCCIÓN DEL CRUDO

Fuente: Screening modern technology for heavy oil reserves. Heavy Oil, 2012.

• Recobro mejorado en frio (COLD EOR)- Inyección de agua (Waterflooding)



- Tecnología VAPEX (Vapor Assited Petroleum Extraction)



• Métodos Térmicos- Tecnología SAGD (STEAM ASSITED GRAVITY DRAINAGE)



- Cyclic Steam Stimulation (CSS)



- Combustión In Situ



DISTRIBUCIÓN DE LAS RESERVAS DE CRUDO PESADO

Fuente: En línea: www.bp.com


Fuente: Facing Up to End of Easy Oil. En línea: online.wsj.com

Reservas de Crudo Pesado a Nivel Mundial

País Millones de Bbls

Canada 2.550.000

Venezuela 2.200.000

Mexico 137.000

Estados Unidos 125.000

Brasil 16.000

Colombia 12.000


Reservas de Crudo Pesado en América

Fuente: Schlumberger

CRUDOS PESADOS EN LATINOAMÉRICA

VENEZUELA

MÉXICO

BRASIL

COLOMBIA

Concentran el 16% del crudo pesado en el mundo.

Sus yacimientos poseen aproximadamente 250.000 Millones de Bbl de crudo pesado y extra-pesado, algunos ya en explotación y otros en vías de desarrollo (como el caso de Brasil).



Principales Reservas de Crudo Pesado

VENEZUELALa faja petrolífera del Orinoco es una extensa zona rica en petróleo pesado y extra-pesado ubicada al norte de río Orinoco, en Venezuela. Conformada por cuatro campos:

• Campo Carabobo con 227.000 millones de barriles.• Campo Boyacá con 489.000 millones de barriles.• Campo Junín con 557.000 millones de barriles.• Campo Ayacucho con 87.000 millones de barriles.



MÉXICODistribución de las Reservas en México según Tipo de Aceite

Fuente: Las Reservas de Hidrocarburos de México. PEMEX Exploración y Producción

CRUDOS PESADOS EN LATINOAMÉRICAMÉXICO

Reservas en México 1998-2007

Fuente: Las Reservas de Hidrocarburos de México. PEMEX Exploración y Producción

BRASILCuenta con reservas probadas de 14.246 millones de barriles en 2010 y una meta de producción para este año de 2,1 millones de b/d, extrae unos 460.000 b/d de crudos pesados en campos costa afuera.


CRUDOS PESADOS EN LATINOAMÉRICACOLOMBIA

Fuente: Proyectos de Crudo Pesado en Colombia

Cuencas Productoras de Crudo Pesado en Colombia.

CUENCA DE LOS LLANOS ORIENTALES

CUENCA VALLE MEDIO DEL MAGDALENA

• Castilla• Apiay• Suria• Reforma-Libertad• Chichimene• Rubiales

• Teca• Nare (Moriche y Chicalá)• Los Ángeles


PROBLEMAS ASOCIADOS A CRUDOS PESADOS

Mecanismos de Corrosión en Crudos Pesados

Contenido de ácidos naftéticos, ácidos orgánicos y compuestos de azufre.Corrosión en equipos de refinería.

Componentes orgánicos polares, solubles en agua.Corrosión en líneas de flujo y facilidades de superficie.

Corrosión por Ácido Nafténico (NAC).


Fuente: ‘A Biosensor for Naphtenic Acids’. En línea: http://2011.igem.org/Team:Calgary/Project

Mezcla de ácidos carboxílicos en cuya estructura molecular se encentran ligados a una cadena de hidrocarburos (generalmente ciclo-pentanos y ciclo-hexanos), con pesos moleculares en promedio entre 120 y más de 700 g/mol. Son de color oscuro y de olor fuerte, insolubles en el agua e inflamable.


Tipos de Corrosión por Ácido Nafténico (NAC):Solo existe corrosión por ácidos nafténicos, los compuestos de azufre tienen muy poco o ningún efecto.

TIPO I

La corrosión por compuestos de azufre se incrementa debido a la presencia de ácidos nafténicos.

TIPO II

La corrosión por ácidos nafténicos se ve inhibida por una capa de H2S que recubre la superficie metálica.

TIPO III


Parámetros que Afectan la NAC:La corrosividad del ácido nafténico se ve afectada por el peso molecular, estructura de los ácidos y las condiciones termodinámicas, presentando mayor actividad a la temperatura de ebullición.

Contenido de N.A.

Problemas de corrosión en crudos con contenido de azufre mayor a 0,2% a temperaturas de 230 ° C (450 ° F) a 455 ° C (850 ° F).

Compuestos de Azufre


Parámetros que Afectan la NAC:La velocidad de corrosión aumenta con el aumento en la temperatura del crudo. La corrosión por ácido nafténico se produce en zonas de alta velocidad de flujo, entre los 220 a 400 ºC (430 a 750 ºF).

Temperatura

El esfuerzo de cizalla entre el crudo y la tubería, es un parámetro principal que afecta la corrosión por ácido nafténico. Un incremento en la velocidad conlleva a un incremento en la corrosión del material.

Velocidad de Flujo


Problemas de Corrosión en Refinería:A nivel de refinería el principal problema se encuentra en las torres de destilación, donde se someten crudos, con alto contenido de ácido nafténico y compuestos de azufre, a altas temperaturas, presentándose el escenario perfecto para el incremento en la tasa de corrosión.


Problemas de Corrosión en Refinería:

Fuente: El Petróleo. En línea: www.kalipedia.com



Estas condiciones de altas temperaturas aparentemente activan incluso las cantidades más pequeñas de ácido nafténico incrementando significativamente la corrosión.Condiciones del proceso tales como la carga, velocidad del flujo y especialmente la turbulencia afectan directamente la corrosión.

Tuberías en Hornos y Líneas de Transferencia



Condiciones de baja vaporización y velocidad de flujo media.Posible inhibición de la corrosión por ácidos nafténicos por compuestos de azufre.Un aumento en la velocidad del flujo provocaría un aumento drástico en las tasas de corrosión.

Tuberías en Hornos y Líneas de Transferencia

la vaporización y condensación de ácidos nafténicos incrementa el Número Total de Ácido (TAN).La corrosión es crítica en el punto de condensación, el cual corresponde a la temperatura y TAN más altos.

Columna de Vacío


Efecto de las Condiciones Termodinámicas en la NAC:Ácidos orgánicos y nafténicos presentan un aumento de la tasa de corrosión con el incremento de la temperatura, siendo máxima para valores cercanos a la temperatura de ebullición de los compuestos, pero declina rápidamente para temperaturas superiores.

Dicha declinación es probablemente debida a tres casos:• La descomposición de algunos ácidos a temperaturas superiores a los

400 ºC (750 ºF).• Los ácidos en estado gaseoso tienen poco efecto corrosivo.• A altas temperaturas el material de la tubería se ve recubierto por una

capa de coque que actúa como barrera protegiendo de la corrosión.


Efecto de las Condiciones Termodinámicas en la NAC:

Temp. ºCComposición Elemental, %wt TAN,

g/molC H N S O

300 84,72 11,2 0,21 3,40 0,93 4,125

325 84,53 11,42 0,22 3,51 0,94 3,893

350 84,75 11,40 0,21 3,56 0,92 3,58

400 84,91 11,36 0,24 3,32 0,83 1,462

Fuente: RODGERS, R. RAHIMI. ‘Advanced Evaluation of Crude Composition for Optimum Corrosion Resistance and Procesing Capabilities’.


Efecto de las Condiciones Termodinámicas en la NAC:

Fuente: GROYSMAN, A. NAPHTALY, B. ‘Low Temperature Naphtenic Acid Corrosion Study’.

Efecto del Crudo en la Corrosión.• Grado de corrosividad según composición:El grado de biodegradación influye en el contenido de ácidos corrosivos en el crudo.Los ácidos nafténicos y otros ácidos orgánicos son constituyentes menores presentes en el crudo; sin embargo, son responsables de grandes problemas por corrosión. La corrosión por ácido nafténico (NAC) está asociada con el Número Total de Ácido (TAN).



Área 1: compuestos de baja relación O/C (fenoles).

Área 2: ácidos grasos saturados de alta relación H/C.

Área 3: ácidos aromáticos de baja relación H/C.

Área 4: ácidos de baja relación H/C.

Fuente: RODGERS, R. RAHIMI. ‘Advanced Evaluation of Crude Composition for Optimum Corrosion

Resistance and Procesing Capabilities’.


Resultados:• El nivel de biodegradación induce variaciones en el

contenido de ácido nafténico, de manera que incrementa a medida que el crudo ha sufrido fuertes procesos de biodegradación.

• Con el aumento del grado de biodegradación, hay un aumento drástico en el Número Total de Ácido (TAN) y, por lo tanto, en la cantidad de ácido nafténico lo que conlleva a importantes problemas de corrosión.


• Efecto del corte de agua en la corrosividad:Componentes solubles en agua: metales orgánicos y compuestos orgánicos que contienen azufre, nitrógeno y oxígeno

Producen

Cambios en la composición fisicoquímica del agua

Alterando

Corrosividad del agua Tendencia del agua a mojar la tubería


Corrosion Rate Break Water Content (CRB).Medición de la tasa de corrosión y la mojabilidad del acero en mezclas aceite/agua en sistemas dinámicos.Simulación de las condiciones en tuberías donde existe flujo multifásico y el agua viaja emulsionada en el crudo.Mediante pruebas de corrosión a diferentes cortes de agua (comenzando con un 0%), permite obtener el corte de agua crítico al cual la tasa de corrosión incrementa significativamente.


Fuente: EFIRD, D. SMITH, J. BLEVINS. ‘THE CRUDE OIL EFFECT ON STEEL CORROSION. Wettability Preference and Brine Chemistry’


Resultados:• Corte de agua (CBR) 30% para el Crudo A y 3% para el

Crudo B.• La probabilidad de que buena parte de la tubería se

encuentre mojada por agua para el Crudo B cuyo corte de agua CBR es del 3% es muy poca, en comparación con el corte de agua del 30% en el Crudo A, lo que indica que el crudo pesado contiene una mayor cantidad de componentes orgánicos solubles en el agua que alteran su composición e incrementan la corrosividad.

TECNOLOGIAS PARA TRATAMIENTO DE CRUDOS PESADOS

• UpgradingConsiste en el uso de procesos en general de craqueo térmico dentro del yacimiento y es particularmente útil cuando la empresa productora no tiene operaciones de refinamiento, venta y distribución y entrega su crudo a una empresa transportadora.

• Dilución del crudoConsiste en adicionar crudo más liviano de áreas cercanas o derivados como el gas oil con el fin de disminuir la viscosidad del crudo y facilitar su transporte.


• Uso de temperaturaAl igual que la dilución de crudo, buscan disminuir la viscosidad para evitar problemas por taponamiento en tuberías, un ejemplo de esto son los cables de calentamiento que van pegados junto a la tubería para evitar el enfriamiento del crudo o cuando pasan por zonas marinas.


• Lubricación de oleoductosCon esta técnica, una delgada capa de agua se inyecta en forma anular al crudo formándose un régimen de flujo anular (CAF) .El agua lubrica el petróleo pesado y el gradiente de presión longitudinal es significativamente reducido.


• Procesos de recobro empleando vapor implica el uso de recursos hídricos y la generación de calor provoca contaminación por hornos.

• El agua producida con el aceite puede contener trazas de hidrocarburo, metales pesados, material radioactivo, sales, químicos y oxígeno disuelto. Estos materiales indeseados deben ser desechados en el subsuelo o reutilizarse.

• El ácido nafténico presente en el crudo, puede penetrar el suelo y contaminar fuentes hídricas.

CONSIDERACIONES AMBIENTALES

• La demanda del recurso, altos precios y los grandes avances tecnológicos, han ayudado a que estas reservas se exploten de manera significativa en los últimos años a nivel mundial.

• El principal problema de los crudos pesados es la corrosión debido a sus altas concentraciones en contaminantes que causan problemas operacionales y daños en puntos críticos de los sistemas como son tuberías, válvulas, equipos para refinación, etc.

• Compañías operadoras y de servicios se encuentran en continua investigación y modificaciones de acuerdo a las necesidades que representan el trabajar con crudos pesados, adecuando de facilidades de superficie mejoradas, equipos más resistentes y modificaciones en refinerías que solo procesaban crudo liviano y mediano.

CONCLUSIONES

• GONZÁLEZ DURAN, R.A. PEÑA BALLESTEROS D. SERNA GIL, J. ‘Determinación de la corrosividad de crudos pesados a alta temperatura sobre un acero ferrítico bajo condiciones de agitación ’. Artículo, Universidad Tecnológica de Pereira. Septiembre, 2007.

• EFIRD, D. SMITH, J. BLEVINS, S. EFIRD, N. ‘THE CRUDE OIL EFFECT ON STEEL CORROSION. Wettability Preference and Brine Chemistry’. Paper 04366, NACE- Corrosion 2004.

• RODRIGUEZ, H. PEÑUELA, L. ‘EXPERIENCES WITH NAPHTENIC ACID CORROSION IN AN EXTRA HEAVY OIL UPGRADER FACILITY’. Paper 06586, NACE- Corrosion 2006.

• RODGERS, R. RAHIMI, P. MESSER, B. PHILLIPS, T. MARSHALL, A. ‘Advanced Evaluation of Crude Composition for Optimum Corrosion Resistance and Procesing Capabilities’. Paper 06582, NACE- Corrosion 2006.

• SHARGAY, C. MOORE, K. COLWELL, R. ‘SURVEY OF MATERIALS IN HYDROTREATER UNITS PROCESSING HIGH TAN FEEDS’. Paper 07573, NACE- Corrosion 2007.

• GROYSMAN, A. NAPHTALY, B. ‘LOW TEMPERATURE NAPHTENIC ACID CORROSION STUDY’. Paper 07569, NACE- Corrosion 2007.

• TEBBAL, S. ‘CRITICAL REVIEW OF NAPHTENIC ACID CORROSION’. Paper 380, NACE- Corrosion 1999.• MEYER, R. ‘WORLD HEAVY CRUDE OIL RESOURCES’. UNITAR, Centre for Heavy Crude and Tar Sands. Alberta,

Canadá, 1997.• GONDOUIN, M. ‘The Challenge of West Sak Heavy Oil: Analysis of an Innovative Approach ’. SPE 22077.

Alaska, Mayo 1991.

BIBLIOGRAFÍA

Crudos Pesados en Latinoamerica y Sus Efectos en Los Materiales

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