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2. Fundamentos do Processamento Primário do Petróleo 2. Fundamentos do Processamento Primário do Petróleo Ao longo da vida produtiva de um campo de petróleo ocorre, geralmente, a produção simultânea de gás, óleo e água, juntamente com impurezas. Nenhuma fase é produzida separadamente. 2. Fundamentos do Processamento Primário do Petróleo Gás Percorre as tubulações/equipamentos de produção como bolhas arrastadas no óleo; Produzido em quantidade e composição variada; Pode ser encontrado dissolvido na água livre. 2. Fundamentos do Processamento Primário do Petróleo Óleo Arrastados como névoa (gotículas de óleo) pelo gás. Óleo livre - Arrastados pela água livre (gotículas dispersas). 2. Fundamentos do Processamento Primário do Petróleo Óleo Emulsão 2 - gotículas de óleo emulsificadas na água. Emulsão 1- gotículas de água emulsificadas no óleo. Emulsão (A/O) Emulsão (O/A) 1F 1F 2F 1F 1F 2. Fundamentos do Processamento Primário do Petróleo Óleo Emulsão O/A – Óleo em água – 1 fase. Emulsão A/O- Água em óleo – 1 fase. Agentes Emulsificantes 2. Fundamentos do Processamento Primário do Petróleo 2. Fundamentos do Processamento Primário do Petróleo Água No estado líquido apresenta-se como: Água livre – fácil de separar - decantação Arrastada pelo gás na forma vapor (V); Gotículas dissolvidas no óleo – não removida – teor – 0,02% v/v. Mistura 1 e Mistura 2– gotículas de água/óleo emulsificadas no óleo/água – tratamento especiais. 2. Fundamentos do Processamento Primário do Petróleo Tipos de Emulsão: Água-em-Óleo – A/O; Óleo-em-Água – O/A. 2.1 Conceitos Fundamentais - Emulsão Mistura de dois líquidos imiscíveis, dispersos um no outros, sob forma de gotículas. Estabilizadas por ação de agentes emulsificantes!!! 2. Fundamentos do Processamento Primário do Petróleo Tensão Superficial: as moléculas são atraídas umas pelas outras por meio de forças (Van der Waals e eletrostáticas) que estão em equilíbrio. Forças Resultantes: ausência de moléculas na superfície força resultante perpendicular. Superfície do líquido: tende a contrair-se devido a ação desta força. Forças não balanceadas na superfície! 2.1 Conceitos Fundamentais - Emulsão 2. Fundamentos do Processamento Primário do Petróleo Tensão Interfacial: tensão existente entre dois líquidos. Forças atração que atuam nas moléculas: não estão balanceadas. Consequência: desenvolvimento de uma tensão interfacial. Quando dois líquidos imiscíveis são postos em contato cria-se uma interface. 2.1 Conceitos Fundamentais - Emulsão 2. Fundamentos do Processamento Primário do Petróleo De acordo com a dimensão das gotículas a água apresenta-se na fase óleo como: • livre - diâmetro da gota superior a 1000 m; • dispersão grosseira – diâmetro entre 100 e 1000 m; • Emulsão pouco resistente ao tratamento - diâmetro da gota entre 20 e 100 m; • Emulsão resistente ao tratamento - diâmetro da gota entre 0,5 e 20 m. 2.1.1 Conceitos Fundamentais – Emulsões A/O 2. Fundamentos do Processamento Primário do Petróleo Origem da água produzida: Água de formação– proveniente do próprio reservatório; Água de injeção – L ou V – água do mar (offshore). 2.2 Geração de Emulsões de Petróleo É possível produzir apenas petróleo? Campo Novo: teor de água. Campo Maduro: teor de água (BS&W) 2. Fundamentos do Processamento Primário do Petróleo 2. Fundamentos do Processamento Primário do Petróleo Forte agitação – elevação; Escoamento regime turbulento – operações com gás lift. Intenso cisalhamento – passagem dos fluidos através de bombas e/ou válvulas. 2.2 Geração de Emulsões de Petróleo Favorecem a formação da Emulsão A/O e O/A! Operações de Produção do óleo 2. Fundamentos do Processamento Primário do Petróleo Formação de Emulsão: Processo – não espontâneo; Fornecer Energia – sistema A/O e O/A; Energia - equipamentos do processo de produção. 2.2 Geração de Emulsões de Petróleo Grau (facilidade/dificuldades) formar de emulsão estável - propriedades FQ – constituição do óleo. 2. Fundamentos do Processamento Primário do Petróleo 2.3 Formação de emulsões Existir dois líquidos imiscíveis em contato; Agitação; Presença de um agente emulsificante. Agentes emulsificantes presentes no óleo: • asfaltenos • resinas • fenóis • ácidos orgânicos • sais metálicos • sedimentos • produtos de corrosão 2. Fundamentos do Processamento Primário do Petróleo 2.3 Formação de emulsões Emulsificantes adsorvem na superfície da gota, formando uma película; Adsorção dos emulsificantes na interface da gota. As gotas ficam isoladas fisicamente e eletricamente. Película (filme interfacial) reveste e protege a gota; Por que as gotas estão isoladas? 1. Repulsão elétrica 2. Impedimento estérico A parte apolar dos emulsificantes impedem a aproximação entre gotas. grupos polares dos emulsificantes interagem com a água - camada elétrica - repulsão entre as gotas. (1) (2) 2. Fundamentos do Processamento Primário do Petróleo 2.4 Tipos e Grau de Rigidez da Película Da natureza da película; Tipos: Rígida ou elástica • teor de asfaltenos, resinas e ácidos naftênicos estabilidade da película. óleo pesado. • sais, sólidos finamente divididos, produtos de corrosão – migram pra interface, enrijecem o filme interfacial - coalescência das gotas. Grau de Rigidez da película depende da: 2. Fundamentos do Processamento Primário do Petróleo 2.4.1 Grau de Rigidez da Película • a presença de cátions (cálcio e magnésio) – tendem a provocar compactação das películas de agentes emulsificantes. • a compactação – rigidez – dificultando a drenagem do filme interfacial - estabilidade da película. Da quantidade de moléculas adsorvidas; Do grau de empacotamento das moléculas: 2. Fundamentos do Processamento Primário do Petróleo Das mudanças de pH – instáveis a pH igual a 10,5 pH Tipo de Emulsão Estabilidade 3,0 Água-Óleo Alta 6,0 Água-Óleo Alta 10,0 Água-Óleo Baixa 10,5 Nenhuma Instável 11,0 Óleo-Água Baixa 13,0 Óleo-Água Baixa 2.4.1 Grau de Rigidez da Película 2. Fundamentos do Processamento Primário do Petróleo 2.5. Fatores que afetam a Estabilidade das Emulsões natureza do petróleo; quantidade de emulsificantes presente; envelhecimento da emulsão; presença de sólidos; tamanho de gotas geradas; viscosidade do petróleo; volume da fase dispersa. 2. Fundamentos do Processamento Primário do Petróleo 2.6 Fatores que afetam a Estabilidade das Emulsões • envelhecimento da emulsão – tempo de geração da emulsão quantidade de emulsificantes depositados na interface estabilidade da emulsão rigidez da película. • o tamanho das gotas – tamanho velocidade de sedimentação. Sedimentação – separação das fases por ação de um campo, por exemplo gravidade. 2. Fundamentos do Processamento Primário do Petróleo • o volume da fase dispersa – aumento da população, aumenta a probabilidade de colisão e coalescência. • viscosidade do petróleo – viscosidade a taxa de cisalhamento p/ gerar gotas menores a taxa difusão dos emulsificantes para interface estabilidade da emulsão. densidade do Óleo – facilidade de manter as gotas em suspensão choques coalescência. 2.6 Fatores que afetam a Estabilidade das Emulsões 2. Fundamentos do Processamento Primário do Petróleo Separar água do petróleo – fundamental - não possui valor econômico! Impactos da água nas instalações - linhas e equipamentos de Produção, transporte e refino: Corrosão: presença de sais inorgânicos dissolvidos – cloretosde sódio, potássio, cálcio e magnésio. 2.7 Impactos da Água Produzida 2. Fundamentos do Processamento Primário do Petróleo 2.7 Impactos da Água Produzida • Destilação do Petróleo – podem hidrolisar-se com a água e formar ácido clorídrico – atacar o topo das torres de destilação; Problemas gerados pela presença de cloretos: • Resíduo de Vácuo – podem acumular-se no RV, carga usada na produção de óleo combustível – cloreto de sódio no óleo produz resíduos de queima, capazes de atacar as caldeiras e os fornos. Refino 2. Fundamentos do Processamento Primário do Petróleo Incrustações 2.7 Impactos da Água Produzida • Incrustações de carbonato de cálcio – geradas pela decomposição de bicarbonato solúvel; • Incrustações de sulfato de bário, de cálcio e estrôncio – formadas pelo contato da água de formação (rica em Ba, Ca) com água do mar injetada (rica em sulfato). Problemas gerados pela presença de sulfatos e carbonatos: 2. Fundamentos do Processamento Primário do Petróleo 2.7 Impactos da Água Produzida Problemas operacionais gerados pelas incrustações - causam entupimento parcial e/ou bloqueio total das linhas e equipamentos. Custo operacional – diminuem a eficiência e o tempo de serviço dos equipamentos e linhas. 2. Fundamentos do Processamento Primário do Petróleo 2.7 Impactos da Água Produzida Impactos da água na elevação e escoamento – formação de emulsão A/O: Aumento da viscosidade: superior ao do petróleo desidratado. Aumento na perda de carga – perda de produção e perda de eficiência do sistema de bombeio e transferência. 2. Fundamentos do Processamento Primário do Petróleo 2.7 Impactos da Água Produzida Impactos da desestabilização da emulsão durante a elevação e escoamento – quebra da emulsão A/O: Aparecimento água livre – aumento do teor de sais - aumento da taxa de corrosão dos dutos e das linhas de produção – usar um material resistente ou usar inibidor de corrosão. Aparecimento água livre - incrustações – interior da coluna de produção – injetar anti- incrustante. 2. Fundamentos do Processamento Primário do Petróleo 2.7 Impactos da Água Produzida Impactos da desestabilização da emulsão durante a elevação e escoamento – quebra da emulsão A/O: Aparecimento da água livre - Formação de hidratos – bloqueamento total ou parcial das linhas de produção. Hidratos – composto sólido, parecido com um cristal, com aparência de neve. 2. Fundamentos do Processamento Primário do Petróleo 2.7 Impactos da Água Produzida Hidratos – resultam da combinação de HC’s leves (metano, etano, propano, butano) com água livre. Composição típica do Hidrato: • 10 % HC’s leves e/ou gases ácidos (CO2 e H2S) • 90 % água livre. 2. Fundamentos do Processamento Primário do Petróleo Hidratos: estrutura cristalina formada a partir da água e das frações leves de petróleo (metano, etano e propano) é favorecida a baixas T e elevadas P. 2. Fundamentos do Processamento Primário do Petróleo As correntes de diferentes poços que chegam à superfície, em terra ou nas plataformas, não se encontram adequadas a utilização ou exportação. Interesse econômico produzir apenas hidrocarbonetos. 2. Fundamentos do Processamento Primário do Petróleo Assim, o PPF tem como Função: a. Separar o óleo, o gás e a água, bem como as impurezas em suspensão. b. Tratar ou condicionar os HC’s (gasosos e líquidos) c. Tratar a água para reinjeção ou descarte. Dotar os campos facilidades de produção instalações destinadas a efetuar, sob condições controladas, o “Processamento Primário dos Fluidos (PPF)”. 2. Fundamentos do Processamento Primário do Petróleo Dependendo da viabilidade técnico-econômica, uma planta de PPF pode ser: • Simples: efetuam apenas a separação gás/óleo (emulsão)/água (água livre); • Complexas: incluem o condicionamento e compressão do gás, tratamento e estabilização do óleo e tratamento da água de descarte ou reinjeção. 2. Fundamentos do Processamento Primário do Petróleo 2. Fundamentos do Processamento Primário do Petróleo Normalmente, a separação e o tratamento dessas fases é feita na planta de processamento, por meio do uso de: • Produtos químicos; • Aquecimento; • Vasos separadores: dispostos em estágios, em função dos mecanismos envolvidos na separação. 2. Fundamentos do Processamento Primário do Petróleo • Separador bifásico: Separação gás-líquido Quanto à finalidade: 2.8 Classificação dos Vasos Separadores Quanto ao tipo: • Vertical; • Horizontal. 2. Fundamentos do Processamento Primário do Petróleo • trifásico: separação gás - emulsão – água livre Quanto à finalidade: 2.8 Classificação dos Vasos Separadores Quanto ao tipo: • Vertical; • Horizontal. 2. Fundamentos do Processamento Primário do Petróleo Os fluidos produzidos passam por separadores bifásicos ou trifásicos, atuando em série ou paralelo. • Taxas de fluxo: mínima e máxima de gás e líquido; • Temperatura e Pressão: operação do separador; • Propriedades: viscosidade, e corrosividade; • No de fases a manejar: separador bifásico ou trifásico; • Presença de impurezas: areia, parafinas; • Tendência de formar espumas. Fatores a serem considerados no Projeto 2. Fundamentos do Processamento Primário do Petróleo • Ação da gravidade e diferença de densidades - decantação do fluido mais pesado; 2.9 Principais Mecanismos de Separação Usados na separação gás/líquido: • Separação inercial - mudanças bruscas de velocidade e de direção do fluxo, permitindo ao gás desprender-se da fase líquido, devido a inércia que esta fase possui; 2. Fundamentos do Processamento Primário do Petróleo •Aglutinação das partículas - contato das gotículas de óleo dispersas sobre uma superfície o que facilita a coalescência, aglutinação e decantação; •Força centrífuga - aproveita as diferenças de densidade do líquido e do gás. Usados na separação gás/líquido: 2.9 Principais Mecanismos de Separação 2. Fundamentos do Processamento Primário do Petróleo 2.10 Esquema típico de um vasos separador 2. Fundamentos do Processamento Primário do Petróleo • Defletores de entrada: muda a velocidade e direção do fluido bruscamente; 2.11 Dispositivos internos de um vaso separador 2. Fundamentos do Processamento Primário do Petróleo • Quebradores de espuma 2.11 Dispositivos internos de um vaso separador 2. Fundamentos do Processamento Primário do Petróleo • Quebradores de onda: utilizados em plataformas devido a movimentação natural delas. 2.11 Dispositivos internos de um vaso separador 2. Fundamentos do Processamento Primário do Petróleo • Extrator de névoa: retenção de pequenas gotículas de líquido Malha Cilindros 2. Fundamentos do Processamento Primário do Petróleo Modelos comerciais de Extratores e Névoa 2. Fundamentos do Processamento Primário do Petróleo • Seção de separação primária – fluido (líquido e gás) choque com o defletor mudança brusca de velocidade líquido fundo gravidade; 2.12 Seções de um vaso separador 2. Fundamentos do Processamento Primário do Petróleo • Seção de separação primária – compreende a entrada do fluido no separador: 1. Permite absorver a qta de movimento do fluido; 2. Favorece uma separação inicial – mudança abrupta de direção da corrente; 3. Permite que a força centrífuga, originada pela entrada tangencial do fluido no vaso, remova volumes consideráveis de líquidos. 2.12 Seções de um vaso separador 2. Fundamentos do Processamento Primário do Petróleo • Seção de separação secundária – onde se separam as gotículas maiores de óleo, carregadas pelo gás após a separação primária, por decantação; 2. Fundamentos do ProcessamentoPrimário do Petróleo • Seção de separação secundária – forças gravitacionais tem uma influência fundamental: 1. Gotas de líquidos são separadas ao máximo do gás; 2. Separação é favorecida pela ação da gravidade; 3. Corrente gasosa se desloca para a parte superior do vaso; 4. A velocidade do gás é reduzida. 2. Fundamentos do Processamento Primário do Petróleo • Seção aglutinadora – as gotículas menores de líquido são removidas do gás em meio porosos (áreas de contato que facilitam a coalescência e decantação). 2. Fundamentos do Processamento Primário do Petróleo • Seção de aglutinação 1. Remoção de minúsculas partículas de líquido que ainda possam estar contidas no gás; 2. Utiliza-se força centrífuga e choque; 3. As gotas de líquido que se separam tendem a se acumular no fundo dos extratores. 2. Fundamentos do Processamento Primário do Petróleo • Seção de acumulação de líquido - maior parte do líquido acumula-se no fundo do vaso, por um tempo de retenção de 3 a 4 min, suficiente para separação do gás remanescente ou água (trifásicos); 2. Fundamentos do Processamento Primário do Petróleo • Seção de acúmulo de líquido 1. Requer tempo mínimo de permanência (tempo de residência) para favorecer a máxima separação; 2. Requer um volume mínimo de alimentação (fluxo intermitente); 3. Requer controladores de nível, para manejar os volumes de líquido obtidos durante a separação. Obs: durante a vida do poço a produção de água aumenta. 2. Fundamentos do Processamento Primário do Petróleo • Separação bifásica - coletores de produção, separador de teste, separadores bifásicos, tanque acumulador (surge tank) e sistema de transferência . 2.13 Outros dispositivos 2. Fundamentos do Processamento Primário do Petróleo • Separação trifásica – permutadores de calor (petróleo x água quente), separadores de teste, separador trifásico, sistema de tratamento de água oleosa, medição e transferência de óleo; 2. Fundamentos do Processamento Primário do Petróleo • Separação trifásica com tratamento de óleo – similar ao terceiro, possuindo adicionalmente um tratador eletrostático (tratamento do óleo). Enquadrar o óleo nos padrões para Refino. 2. Fundamentos do Processamento Primário do Petróleo • Separador Horizontal 1. Mais eficientes na separação de grandes volumes de gás/líquido; 2. Disponibiliza maior área de interface, permitindo maior decantação das gotículas presentes no gás; 3. Manejo de partículas sólidas é menos complexo; 4. Manejo de óleo espumoso é facilitado; 5. Controle de nível é crítico. 2.14 Vantagens e Desvantagens dos Separadores Verticais e Horizontais 2. Fundamentos do Processamento Primário do Petróleo • Separador vertical 1. Devido a altura, o controle de nível é facilitado; 2. Requer menor área de instalação; 3. Manejo para limpeza é dificultado, devido altura. 2.14 Vantagens e Desvantagens dos Separadores Verticais e Horizontais 2. Fundamentos do Processamento Primário do Petróleo • Espumas – causada pela presença de impurezas. Problemas que podem gerar: 1. Reduz a área de escoamento do gás; 2. Aumenta o arraste de líquido na saída do gás; 3. A presença de líquidos arrastados provocam danos aos compressores. 2.15 Problemas Operacionais dos Separadores 2. Fundamentos do Processamento Primário do Petróleo 2.15 Problemas Operacionais dos Separadores • Parafina (HC’s de elevado peso molecular) - podem cristalizar-se e obstruir as linhas de transferência e equipamentos. Problemas que podem gerar: 1. Depositam-se nas placas coalescedoras e extratores de névoas. Deve-se operar a T superior à TIAC (temperatura de aparecimento de cristais) 2. Fundamentos do Processamento Primário do Petróleo 2.15 Problemas Operacionais dos Separadores • Areia Problemas que podem causar: 1. A presença de areia pode obstruir internos, acumular no fundo, causar erosão e/ou interrupção de válvulas. • Emulsões – causam problemas ao controle de nível de líquido, o que leva a uma redução na eficiência de separação. 2. Fundamentos do Processamento Primário do Petróleo 2.15 Problemas Operacionais dos Separadores •Arraste de óleo pelo gás – Ocorre quando o nível de líquido está muito elevado, quando há formação de espuma ou quando a saída de líquido está obstruída. 3. Sistemas de Tratamento e Dessalgação do óleo 3.1 Tratamento das fases (Especificações da ANP) •Gás natural : 3-5 libras por milhão de pé cúbico de vapor d’água; •Óleo: não pode conter quantidades excessivas de água e sedimentos (BS&W) e sais dissolvidos. •Água produzida deve possuir valor limite de óleo disperso (TOG - teor de óleos e graxas) para ser descartada. 3. Sistemas de Tratamento e Dessalgação do óleo 3.2 Especificações após PPF 3. Sistemas de Tratamento e Dessalgação do óleo • Floculação – aglomeração das gotas em agregados, quando a emulsão é posta em repouso. Permite coalescência. 3.3 Mecanismos de Desestabilização das Emulsões • Coalescência – ocorre a ruptura do filme interfacial e a fusão das gotas em outra de maior tamanho e peso. Favorece a sedimentação. Etapa mais crítica! 3. Sistemas de Tratamento e Dessalgação do óleo • Coalescência – requer que os mecanismos de estabilização da emulsão sejam vencidos. Só ocorre na presença de um agente desemulsificante! 3.3 Mecanismos de Desestabilização das Emulsões 3. Sistemas de Tratamento e Dessalgação do óleo • Sedimentação – separação por ação de um campo gravitacional. 𝑽𝒈 = 𝝆𝒂 − 𝝆𝒐 . 𝒅𝒈 𝟐 𝟏𝟖𝒐 . 𝒈 Vg = velocidade de sedimentação da gota, cm/s; separação por ação de um campo gravitacional. o = massa específica do óleo, g/cm 3; a = massa específica da água, g/cm 3; o = viscosidade absoluta do óleo, g/cm.s dg = diâmetro da gota, cm; g = aceleração da gravidade, cm/s2. 3.3 Mecanismos de Desestabilização das Emulsões 3. Sistemas de Tratamento e Dessalgação do óleo • Conclusões: 𝑽𝒈 = 𝝆𝒂 − 𝝆𝒐 . 𝒅𝒈 𝟐 𝟏𝟖𝒐 . 𝒈 1. diferença entre as massas específicas velocidade de sedimentação óleo pesado (mais denso) dificuldade de separar por segregação. 2. viscosidade do óleo Vg 3. diâmetro da gota Vg evitar cisalhamento intenso 4. intensidade do campo gravitacional Vg 3.3 Mecanismos de Desestabilização das Emulsões 3. Sistemas de Tratamento e Dessalgação do óleo 3.3 Mecanismos de Desestabilização das Emulsões 3. Sistemas de Tratamento e Dessalgação do óleo 3.4 Métodos de Desestabilização de Emulsões Adição de desemulsificante 1ª etapa – o produto químico desloca os emulsificantes naturais. 2ª etapa - ocorre a coalescência das gotas. 3ª etapa - ocorre a sedimentação das gotas, separando água e óleo por segregação gravitacional . 3. Sistemas de Tratamento e Dessalgação do óleo 1. Diminui a viscosidade; 2. Promove a expansão da água – favorece o rompimento da película ou redução da sua resistência. 3. Aumenta o movimento das moléculas; 4. Acentua a diferença de densidades entre as partículas de água e óleo. 3.4 Métodos de Desestabilização de Emulsões Aquecimento 3. Sistemas de Tratamento e Dessalgação do óleo À medida que aumenta o teor de água, aumenta-se a população de gotas. Isso gera proximidade, resultando na segregação. 3.4 Métodos de Desestabilização de Emulsões Aumento do teor de água 3. Sistemas de Tratamento e Dessalgação do óleo Qdo uma gota é submetida a um campo elétrico forma-se um dipolo induzido. As gotas alinham-se na direção do campo, ocorrendo a formação de dipolos induzidos de sentidos contrários. Uso de Campo Elétrico 3.4 Métodos de Desestabilização de Emulsões 3. Sistemas de Tratamento e Dessalgação do óleo Tratador Eletrostático 3.4 Métodos de Desestabilizaçãode Emulsões 3. Sistemas de Tratamento e Dessalgação do óleo 3. Sistemas de Tratamento e Dessalgação do óleo Tratador Eletrostático 3.4 Métodos de Desestabilização de Emulsões 3. Sistemas de Tratamento e Dessalgação do óleo Tratador Eletrostático 3.4 Métodos de Desestabilização de Emulsões
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