Ing. Nelson Cabrera Maráz, Mscroneven@cotas.com.bo

UDABOL – SCZMarzo-Abril 2014

Tratamiento de crudosTratamiento de crudos

(Emulsiones)(Emulsiones)

Modulo Facilidades de Superficie

Diplomado en Producción de Hidrocarburos

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IntroducciónUna EMULSION, es un sistema heterogéneo formado por dos líquidos inmiscibles, uno de los cuales se encuentra disperso en otro en forma de pequeñas gotas, cuyos diámetros exceden de 0.1µm, estabilizadas por cargas eléctricas y agentes emulsificantes como  productos tensoactivos, sólidos finamente divididos, etc.

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EmulsionesEl agua salada se encuentra asociada al petróleo en la fm.  geológica  de  donde  es  extraído.  El  agua  producida varía en la cantidad de sales que contienen en solución, algunas tienen densidades mayores de 1,20 gr./cm3 y los iones que usualmente poseen en su composición son:

Na+, Ca++, Mg ++, Cl‐, HCO3‐, SO4—

La coproducción de agua y petróleo por algún proceso de recuperación puede formar mezclas o emulsiones las cuales son difíciles de separar.Se necesitan dos requerimientos principales para que las mezclas de crudo‐agua puedan formarse con algún tipo de estabilidad:

u Energía para el mezcladou Agentes emulsificantes o surfactantes para prevenir la coalescencia de las gotas dispersadas. 

El petróleo tiene agentes emulsionantes naturales como: Asfáltenos, Resinas, Parafinas, compuestos nafténicos, porfirinas y sólidos finamente dispersados como arcillas, sedimentos, incrustaciones, productos de corrosión, etc.

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CLASIFICACION DE LAS EMULSIONESSe clasifican en base a:

SEGÚN LA NATURALEZA DE LA FASE EXTERNAEMULSIONES DE AGUA EN PETRÓLEO (W‐O)EMULSIONES DE PETRÓLEO EN AGUA (O‐W)EMULSIONES MÚLTIPLES (O – W‐O)

SEGÚN EL TAMAÑO DE LAS PARTICULAS DISPERSASMACROEMULSIONES0,2 µ< Tamaño de la partícula < 50µ

MICROEMULSIONES0,01µ< Tamaño de la partícula < 0,2 µ

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TIPOS DE EMULSIONES Normal ( agua en petróleo )

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TIPOS DE EMULSIONES Inversa (Petróleo en agua )

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TIPOS DE EMULSIONES Complejas

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TIPOS DE EMULSIONES Complejas

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PROPIEDADES DE LAS EMULSIONES

Tamaño de la gotaConductividad eléctricaInversiónViscosidadEstabilidadTensión interfacialTensión superficial

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AGENTES EMULSIONANTES

Se dividen en tres clases principales:

Productos Tensoactivos o SurfactantesMateriales que se presentan en la naturalezaSólidos finamente divididos

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SURFACTANTESDEFINICIÓN: Agentes tensoactivos con capacidad para absorberse sobre la interfase del sistema muy bajas concentraciones, en forma de una capa mono‐molecular orientada o mono‐capa modificando así las tensiones superficiales e interfaciales.

CLASIFICACIÓN: Según el tipo Hidrofílico se clasifican en:

Tensoactivos iónicos: pueden ser Aniónicos o Catiónicos.Tensoactivos no iónicos: Surfactantescovalentes que no se ionizan en agua.Anfotéricos: el grupo hidrófilo puede cargarse +/o estar descargado.

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MATERIALES QUE SE PRESENTAN EN LA NATURALEZA

Este tipo de compuesto es obtenido casi sin alteración de las fuentes naturales.Se denominan agentes emulsionantes auxiliares.Aumentan la viscosidad de formación de nata, son costosos, sujetos a hidrólisis y sensibles a variación de PH.Lecitina, lanolina, goma arábiga, goma de guar, derivados de algas, derivados de celulosa, etc.

SÓLIDOS FINAMENTE DIVIDIDOS

Son estabilizantes efectivos de emulsiones en varias aplicaciones.Sales básicas de los metales, negro humo, sílice en polvo y diferentes arcillas ( bentonita).Los barros utilizados en las tareas de explotación de pozos suministran cantidades de estos sólidos a los pozos petrolíferos.

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DESHIDRATACIÓN DEL PETROLEO

DEFINICIÓNProceso mediante el cual se separa el agua emulsionada presente en el petróleo, convirtiéndolo a éste en un producto comercial, es decir, con niveles de agua inferiores al 1%.

VENTAJASEl agua causa corrosión de deposición de coque en la refinería, así como aumentos anormales de la temperatura de operación al ser evaporada.Aumento en el costo de transporte de petróleo y corrosión de tanques y oleoductos.Mayor gasto del equipo debido a la mayor viscosidad de los crudos emulsionados y a los mayores volúmenes manejados , tanto en oleoductos como en tanques.

SEPARADOREMULSION --→ --→ PETROLEO LIMPIO

(CRUDO +AGUA) (AGUA) (1% DE AGUA)

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TEORÍA BÁSICA DE LA SEPARACIÓN DE EMULSIONES

La separación de las emulsiones W‐O ó O‐W se debe a fenómenos de:

Coalescencia de las gotas en la interfase

(Coalescencia: proceso a través del cual dos dominios de fase de composición idéntica entablan un contacto y forman un dominio de fase mayor)

Sedimentación de las mismas desde la fase contínua.

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COALESCENCIAEste proceso se lleva a cabo en cinco etapas:

1.Aproximación de las gotitas en la interfase y contacto con deformación de las gotitas en las misma.

2.Oscilación de las gotitas en la interfase.3.Formación de una película de la fase contínuaentre la gota y la interfase.

4.Ruptura y desaparición de la película seguida por la coalescencia real de las gotas.

5.Transporte parcial o completo del contenido de la gota a la fase discontinua.

El tiempo necesario para que esto suceda es el tiempo de coalescencia. Tiempo necesario para destruir y remover la película interfacial alrededor de las gotas.

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SEDIMENTACIONLa sedimentación de las gotas desde la fase contínua obedece a las leyes de Newton y de Stokes.

LEY DE NEWTON: está basada en la suposición de que las partículas son completamente esféricas y de diámetros uniformes, no siendo el caso de las gotas de agua en emulsiones W‐O.

LEY DE STOKES: sobre una partícula que se mueve en el seno de un fluido actúan tres fuerzas:

Fuerza Externa (gravedad ó centrífuga) FEFuerza de Flotación opuesta a la Fuerza Externa (Arquímedes) FBFuerza de Arrastre opuesta al movimiento (Movimiento entre la partícula y fluido) FD

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TRATAMIENTO DE LAS EMULSIONESSon los procesos para romper emulsiones y separa el petróleo limpio del agua, la arena, los sólidos y otros sedimentos producidos con este:

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FUNCIONES QUE DEBEN DESEMPEÑAR LOS PROCESOS DE SEPARACION

Desestabilización y rompimiento de las emulsiones de petróleo tan pronto como sea posible después de que ha sido formada y producidaSeparación del gas presente en la emulsión producidaPromoción de la coalescencia de las gotas de agua para formar gotas mas grandes, las cuales precipitaran mas rápidamenteDisminución de la viscosidad de la fase petróleo para acelerar la separación del agua desde la fase petróleoPermitir suficiente tiempo para que ocurra una completa separación del agua

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METODOS DE TRATAMIENTO

La deshidratación de petróleo‐crudo puede llevarse a cabo mediante distintos métodos:

Sedimentación: Natural, responde a las leyes de Newton y de StokeMétodo Térmico Método EléctricoMétodo QuímicoCentrifugación Filtración

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SEDIMENTACION

Consiste en la utilización de la fuerza de gravedad para hacer su papel de sedimentación de las gotasEsta en función del tiempo y es dependiente del grado de estabilidad de la emulsiónSe utiliza principalmente para separar el agua libre producida en el petróleo

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SEDIMENTACION Y DESHIDRATACIÓN ESTÁTICA

Comprende el método de tratamiento gravitacional o de asentamiento, acompañado en muchos casos de tratamiento químico y calentamiento.Es conocido como el método de Llenado – Sedimentación –Drenaje  y Bombeo.El petróleo después de que se ha llenado el tanque es dejado estático para que sedimente el agua contenida en él.

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SEDIMENTACION Y DESHIDRATACION ESTATICA

Es el método más simple y el menos estudiado.Involucra el uso de deflectores arreglados e instalados dentro de los tanques de tratamiento tal que permitan la desgasificación del fluido entrante, control de la dirección del flujo de  fluido, control y límite de las corrientes térmicas y mejor promoción de la coalescencia de las gotas de la emulsión.

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METODO TERMICO

El proceso involucra la aplicación de calor para romper las emulsiones W‐O por efecto de una reducción de la tensión superficial de la partícula interfacial debido a que:Aumenta la solubilidad del petróleo en el agente emulsionante y aumenta la dispersión del agente en la fase petróleo.Reduce la viscosidad del oil lo que promueve la separación por gravedad.Acelera la velocidad con que un compuesto químico demulsificador se deposita en la interfase de las gotas de agua aumentando así la velocidad de acción del demulsificante.La adición de Calor sobre el crudo aumenta la cantidad de energía en el sistema causando corrientes térmicas las cuales promueven el choque entre las gotas de agua, lo que permite que rompan la película y coalescan.Expansión de las gotas de agua debido al gradiente de Temperatura y ruptura del agente emulsionante.

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TRATAMIENTO ELÉCTRICO

Involucra el uso de un Campo Eléctrico óElectroestáticos con el propósito de causar que las pequeñas gotas dispersadas se muevan hacia los electrodos ,coalescan y caigan por gravedad.El fenómeno es producido debido que las partículas suspendidas en un medio con una constante dieléctrica más baja (W‐O) son atraídas entre sí, cuando se forma un Campo Eléctrico de alto voltaje en el sistema.Mientras mayor resistividad tenga el oil es mayor el esfuerzo eléctrico que puede sostener sin romperse y por lo tanto, las fuerzas que producen la coalescencia son mayores.El segundo método es someter a la emulsión a un campo eléctrico alterno, vibrando las gotas a la frecuencia de la corriente, chocando , coalesciendoy cayendoLa deshidratación eléctrica requiere mayor Temperatura que los procesos químicos y mayor presión.

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Tratamiento Químico

Consiste en el agregado de productos químicos deshidratantes que actúan rompiendo las emulsionesEstos productos llamados desenmulsionantes actúan favoreciendo la coalescencia de la fase dispersa y permitiendo su decantación por gravedad.

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Lugar de DosificaciónEl lugar de dosificación puede ser:

1. En la línea de producción, por medio de bombas dosificadoras;

2. En el fondo del pozo, agregándolo por el espacio anular

La proporción usada depende del tipo de desenmulsionante y de las características de la emulsión, pero se puede empezar con una dosificación 20 ppm y variándola en función de los resultados

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Deshidratación Dinámica con Tanque Cortador-Sistemas combinados

Es un método continuo de tratamiento de petróleo.También conocido como método Térmico químico.Constantemente entra al tanque Cortador el petróleo emulsionado por el fondo y sale por el tope petróleo limpio con ≤ 1% de agua. El agua separada se purga por el fondo

VENTAJAS

Mejor separación.Menor capacidad de almacenamiento.Menos fuerza hombre y supervisión.Promueve la coalescencia de pequeñas gotas de agua → Mejor separación y menos consumo de química.Agua drenada menos contaminada con emulsión.Menos equipo asociado para el tratamiento de la emulsión y el efluente de agua.El petróleo es desgasificado entrando a los tanques de almacenamiento lo que contribuye a operaciones mas seguras en laplaya de los tanques.

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PRINCIPIOS DEL PROCESO DE TANQUE CORTADOR

Diseñados para promover la separación de Agua y Oil.Se diferencian tres zonas:

Oil: petróleo que asciende con ≤ 1% de agua por gravedad.Interfase: Las gotas de agua una vez que coalescen, sedimentan

desprendiéndose de la fase petróleo que asciende.Colchón de Agua: Entra la emulsión O -W y es lavada promoviendo

la coalescencia de las gotas, separándose Agua libre.

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CONSIDERACIONES A TENER EN CUENTALa tasa de llenado del tanque (velocidad de ascenso del fluído) < velocidad de sedimentación, para un ciertotamaño de gota a fin de reducir el tiempo de sedimentación.( velc. asc. Oil < 1 mt.lineal/h )Durante el llenado se forma una capa interfacial cuyoespesor está en función de la tasa de llenado del tanque(Generalmente de 1 a 3 m.).-La capa interfacial puede separarse completamentediferenciándose una interfase entre el agua y el oil, la cual puede ser drenada fuera del tanque con el agua, produciendo una emulsión severa del fluído drenado.El líquido de entrada al tanque deber ser una emulsióndesestabilizada para evitar re - tratamientos costosos de la carga recibida.El agua producida es corrosiva, lo que aumentará loscostos de mantenimiento.La capa interfacial se lleva a separador API o se conserva dentro del tanque para tratarla nuevamente.

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INCONVENIENTES EN LA SEPARACION EN TANQUES

Presencia de gas.Altas velocidades del flujo a través de calentadores, líneas de sistema de playa de tanques y entrada a los tanques.Re – emulsificación debido a las caídas de presión inesperadas en las instalaciones del proceso.Perturbaciones en el proceso de sedimentación debido a las corrientes por convección como resultado de los cambios de Temperatura Ambiente.Diferencia por gravedad causados por cambios de Temperatura del Fluído de entrada creada po la canalización en los tanques de lavado.Recirculación de emulsión drenada recuperada desde otras instalaciones.Flujos mas altos que los que fueron asumidos para el diseño de la instalación.-

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PRINCIPIOS BASICOS PARA LOGRAR UNA MEJOR EFICIENCIA

EMULSIÓN DESESTABILIZADA W‐OLa corriente de entrada debe estar desestabilizada por lo cual es conveniente muestrear dicha corriente a intervalos frecuentes y conseguir esta situación en el campo.Bombas dosificadoras deben ser instaladas cerca del tanque de lavado para inyectar desemulsificanteadicional.

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FACILIDADES PARA DESGASIFICACIÓN

• El flujo de entrada de crudo frecuentemente está cargado de gas libre debido al bombeo desde los separadores ( 6 – 0) en las estaciones de producción. Este gas saldráfuera de solución cuando la presión del sistema cae. Si la corriente de oil es calentada en el tanque, derivados livianos son vaporizados y más gas sale de solución.

• De la eficiencia de separación del gas y el oil depende la quietud del fluido en la sección de la sedimentación ( No debe haber escape de gas en esta zona para evitar turbulencia y movimientos).

• Se adiciona un separador vertical fuera o dentro del tanque cuya entrada se encuentra por encima del nivel de líquido en el tanque.( Fuster = sep. Presión atmosférica )

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CONCLUSION

Para lograr el objetivo de un tratamiento de  deshidratación y desalación exitoso, es importante seleccionar el método adecuado avalado por una buena experiencia de campo.

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