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Apostila PETROBRAS
Tipologia: Manuais, Projetos, Pesquisas
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Escola de Ciências e Tecnologias E&P
Editor Rosana Kunert
Autores André Luis Figueira da Silva José Erasmo de Souza Filho João Batista Vianey da Silva Ramalho Marcel de Vasconcelos Melo Mauro de Moura Leite Nilo Índio do Brasil Oswaldo de Aquino Pereira Junior Roberto Carlos Gonçalves de Oliveira Robson Pereira Alves Roni Fabio Dalla Costa Rosana Kunert Walmir Gomes
Rio de Janeiro Março de 2007
O petróleo, conforme a teoria da origem orgânica, é formado pela decomposição de grandes quantidades de material vegetal e animal que, sob ação da pressão e calor gera misturas de compostos constituídos majoritariamente por moléculas de carbono e hidrogênio - os hidrocarbonetos.
Geralmente, o petróleo depois de formado não se acumula na rocha na qual foi gerado – rocha geradora ou rocha matriz, mas migra sob ação de pressões do subsolo, até encontrar uma rocha porosa, que, se cercada por uma rocha impermeável (rocha selante ou rocha capeadora), aprisiona o petróleo em seu interior. E é a partir deste reservatório que o petróleo é extraído, se as condições de porosidade da rocha e a quantidade acumulada de material formar uma jazida comercial.
Dependendo da pressão e do local em que se encontra o petróleo acumulado, é comum encontrar o gás natural ocupando as partes mais altas do interior do reservatório, e o petróleo (óleo) e a água salgada ocupando as parte mais baixas, muito em função da diferença de densidade e da imiscibilidade entre as fases.
A figura 1 ilustra, de maneira esquemática, a distribuição de fases no interior de um reservatório típico de petróleo.
água
óleo
gás
Fig. 1 – Reservatório típico de petróleo.
Por conta desta configuração no reservatório e das condições necessárias para a produção, não apenas petróleo e gás são produzidos, mas também água e sedimentos (areia e outras impurezas sólidas em suspensão, como material de corrosão, produtos de incrustação por exemplo) em quantidades variadas. Além destes, deve-se considerar que outros compostos não hidrocarbônicos também podem estar presentes no sistema, tais como os contaminantes CO 2 ,e H 2 S, quer na fase gasosa ou mesmo arrastados/dissolvidos na fase líquida..
Via de regra nenhuma destas fases é produzida isoladamente. Assim, o gás é produzido em quantidade e composição variada e percorre as tubulações de produção como bolhas arrastadas no óleo. Alternativamente, gotículas de óleo podem ser arrastadas como névoa no gás.
A água de formação pode ser levada pelo gás na forma de vapor. Quando no estado líquido, pode ser produzida como água livre, dissolvida ou emulsionada como gotículas dentro do óleo. Mesmo a água livre separada, além dos sais presentes, contém sedimentos, gases dissolvidos e óleo arrastado.
A água livre é relativamente fácil de separar, por decantação enquanto que a água dissolvida normalmente não é removida da corrente de petróleo por ser relativamente baixos os seus teores (da ordem de 0,02% a 20oC). Por outro lado, a água emulsionada requer tratamentos especiais para sua remoção.
Uma emulsão é a mistura de dois líquidos imiscíveis, sendo um dos quais disperso no outro, sob a forma de gotículas, que mantém-se estabilizada pela ação de agentes emulsificantes. Há, de um modo geral emulsões do tipo óleo-em-água (O/A), onde a água é a fase externa; e emulsões do tipo água-em-óleo (A/O), onde o óleo é a fase externa. A figura 2 mostra a imagem de uma emulsão A/O formada por diminutas gotas de água dispersa no petróleo.
Fig. 2 – Imagem de uma emulsão de petróleo do tipo A/O por microscopia.
Dentre os contaminantes mais indesejáveis, sem dúvida é a água que causa maiores dificuldades para ser removida, quer devido à quantidade ou à forma (emulsionada) em que pode estar presente na fase líquida.
Esta água presente nos fluidos produzidos pode ter duas origens. Ou é proveniente do próprio reservatório (água de formação) ou foi introduzida no sistema produtor em conseqüência da utilização de processos de recuperação secundária, tais como injeção de água ou vapor. No início da produção de um reservatório, o teor de água no petróleo produzido tende a ser zero. Porém, com a continuidade da produção, este teor tende a aumentar, sendo comum ultrapassar 50%. A água produzida pode se aproximar de 100% à medida que o poço chega ao fim de sua vida produtiva. Quando a produção de petróleo é acompanhada de elevados teores de água, diz-se que o campo é maduro, sendo este teor avaliado pelo ensaio de BS&W (Basic Water and Sediment) que determina também o teor de sedimentos. A figura 3 mostra um quadro com o histórico e a previsão de produção e injeção
Fig. 4 – Esquema de um Sistema de Produção com injeção de água do mar.
A separação da água produzida com o petróleo faz-se necessária, pois, além de não apresentar valor econômico, a água apresenta sais em sua composição, tais como cloretos, sulfatos e carbonatos de sódio, cálcio, bário e magnésio, dentre outras espécies químicas, que podem provocar a corrosão e a formação de depósitos inorgânicos nas instalações de produção, transporte e refino.
As emulsões de petróleo do tipo A/O apresentam viscosidade muito superior a do petróleo desidratado, afetando portanto as operações de elevação e escoamento em função do aumento das perdas de carga, que podem levar à perda de produção e à perda de eficiência do sistema de bombeio e transferência.
Por outro lado, se as emulsões forem desestabilizadas durante a elevação e o escoamento da produção, poderá haver o aumento da taxa de corrosão dos dutos e das linhas de produção e poderá ocorrer o aparecimento de depósitos inorgânicos (incrustação), principalmente no interior da coluna de produção, em função do aparecimento de água livre contendo sais em sua composição. Nesse caso, deverá ser utilizado material construtivo adequado ou usar produto químico inibidor de corrosão e produto químico antiincrustante.
Outro problema decorrente do aparecimento de água livre durante a elevação e o escoamento é a formação de hidrato, que poderá bloquear total ou parcialmente as linhas de produção (figura 5) e levar a perda de produção. O hidrato é uma estrutura cristalina formada
a partir da água e das frações leves do petróleo (metano, etano e propano), a baixas temperaturas e em elevadas pressões. O surgimento de hidrato é crítico durante uma parada de produção, pois a água livre e o gás, mantidos pressurizados no interior das linhas de produção, serão resfriados pelas correntes marítimas profundas.
Fig. 5 – Hidrato formado em linha de produção.
No processamento primário de petróleo , a elevada viscosidade das emulsões dificulta a separação da água e provoca o aparecimento de espuma, requerendo o uso de temperaturas elevadas para tratar o petróleo e o consumo de produtos químicos, especialmente o desemulsificante e o antiespumante. Por outro lado, se as emulsões forem submetidas à intensa agitação e cisalhamento, serão formadas gotas de tamanhos menores, tornando a emulsão mais estável. Conseqüentemente, será necessário empregar maior temperatura de processamento e/ou utilizar equipamentos com maiores dimensões, além do maior consumo de desemulsificante. A dificuldade de tratamento será maior se a emulsão sofrer envelhecimento.
Incrustações também poderão ser formadas no interior dos equipamentos de processo e nas linhas de água. Destaca-se a incrustação de carbonato de cálcio, obtida a partir da decomposição do bicarbonato solúvel, e as incrustações de sulfato de bário, de cálcio e de estrôncio, formadas a partir do contato da água de formação, rica em bário, cálcio e estrôncio, com a água do mar, rica em sulfato, que é injetada para manter a pressão do reservatório. As incrustações podem causar entupimentos e bloqueios, que diminuem a eficiência e do tempo de serviço dos equipamentos e das linhas.
Se a água co-produzida não for adequadamente separada nas unidades de produção e se, durante o transporte para os terminais ela separar-se no interior dos tanques de armazenamento de petróleo ou nos tanques dos terminais, serão gerados custos adicionais de operação, para removê-la, tratá-la e descartá-la. Ademais, se a água não for removida durante o processo de produção, ela onerará o custo do transporte, pois será computada como petróleo.
De acordo com os estudos de reservatório e de viabilidade técnico-econômica, um sistema de produção poderá ter uma planta de processamento bem simples ou mais complexa. As plantas simplificadas efetuam apenas a separação gás/óleo/água, enquanto as mais completas incluem tratamento e estabilização do óleo, condicionamento e compressão do gás, tratamento da água oleosa, além do tratamento de água para injeção no reservatório e descarte.
A pressão na qual os separadores operam pode variar bastante, dependendo do grau de separação gás-óleo desejado e da pressão do óleo no sistema de produção. A separação em estágios, que tipicamente envolve separadores de alta, intermediária e baixa pressão em série, visa maximizar a produção de óleo e permitir que vários poços com diferentes pressões de escoamento possam ser alimentados numa mesma facilidade de produção.
Após uma separação primária das correntes de fluidos produzidos, ocorre o tratamento individual das fases gás, óleo e água a fim de se atingir as especificações necessárias à comercialização do óleo e gás e as especificações ambientais para o descarte da água. Por exemplo:
Na figura 7 apresenta-se as principais especificações exigidas para as correntes gás, óleo e água produzida (para descarte), após o processamento primário realizado no E&P.
Gás *
Teor de água máx. 3 a 5 lb/Mscf (na BR: 2lb/Mscf) Teor de H 2 S. máx. 10 a 15 ppm Teor de Inertes, CO 2 máx. 4% vol (na BR: 2%vol.)
Óleo
BS&W Refino: máx. 1% vol Exportação: máxi. 0,5% vol Teor de sais Refino: máx.: 570 mg/L (em NaCl) Exportação: máx. 285 mg/L (em NaCl)
Água produzida TOG máx. 20 ppm
Temperatura máx. 40oC *Portaria ANP
Fig. 7 – Principais especificações dos fluidos após o Processamento Primário.
No sistema de gás, compressores podem ser necessários para elevar a pressão do gás ao nível desejado para a tubulação. Vários estágios de compressão podem ser necessários para comprimir as correntes de baixa e intermediária pressão. Os compressores são normalmente acionados por turbinas a gás. Compressores devem ser dimensionados com certo grau de flexibilidade para atender as variações nas pressões e vazões volumétricas dos gases que ocorrem durante a vida de um campo. Alguns campos requerem que o gás produzido passe por um processo de remoção de H 2 S, quando o teor deste contaminante é elevado. A maioria das facilidades de produção requer que o gás passe por um sistema de remoção do vapor de água presente no gás a fim de reduzir a possibilidade de formação de hidratos (sólidos de hidrocarbonetos leves e água que podem obstruir o sistema de gás).
No sistema de óleo, o principal problema é a remoção de água emulsionada, que também contém os sais dissolvidos e alguns sedimentos inorgânicos. Os vasos tratadores de óleo utilizam uma combinação de métodos que se baseiam na adição de compostos químicos (chamados desemulsificantes), calor, introdução de um campo elétrico e tempo de residência para romper a película de compostos emulsificantes que circundam as gotículas de água permitindo que elas se coalesçam, formando gotas maiores que decantam e permitem a separação em duas fases líquidas, uma oleosa e uma aquosa. Se o óleo produzido tiver um elevado teor de sal pode ser necessário adicionar água fresca ao óleo para permitir a diluição dos sais dissolvidos na água remanescente que sai com o óleo tratado.
A corrente de água produzida que escoa dos separadores trifásicos e do vaso tratador de óleo necessitam passar por um tratamento que visa remover gotículas de óleo que escaparam dos processos anteriores. Tanques separadores ( skimmers ), hidrociclones e flotadores a gás podem ser utilizados para alcançar o limite máximo admissível de óleo na água a ser descartada ou injetada nos poços.
A pressão no separador é mantida por um controlador que atua regulando o fluxo de saída do gás na parte superior. O líquido separado deixa o vaso através de uma válvula de descarga, cuja abertura ou fechamento é efetuado através de um controlador de nível.
Os separadores são fabricados nas formas horizontal e vertical (figuras 8 e 9, respectivamente ). Por apresentarem uma maior área superficial de interface permitindo uma melhor separação líquido/gás e gás/líquido, os separadores horizontais são normalmente mais eficientes, sendo utilizados principalmente em sistemas que apresentem espumas e altas razões gás/óleo. As principais desvantagens destes separadores, por outro lado, são a dificuldade de remoção dos sólidos produzidos (os verticais têm uma geometria que permite a deposição localizada no fundo do vaso facilitando sua remoção) e a menor capacidade de absorver grandes variações de fluxo (golfadas).
Fig.9 - Separador trifásico vertical
Os separadores podem ainda ser do tipo bifásico (figura 8), quando promovem a separação gás/líquido (separadores de gás), ou trifásico (figura 9 ), separadores de água livre, que, adicionalmente, promovem a separação da água. Os trifásicos apresentam uma maior seção de decantação de líquido que possibilita uma separação melhor do óleo/água. Também há necessidade da instalação nesses separadores, de:
Saída de Gás
Entrada
Condutor de Líquido
Espalhador
Chaminé
Defletor de Entrada
Saída de Água
Extrator de Nevoa
Válvula de Controle de Pressão
Saída de Óleo
Válvula de Controle Água de Nível
Óleo
Saída de Gás
Entrada
Condutor de Líquido
Espalhador
Chaminé
Defletor de Entrada
Saída de Água
Extrator de Nevoa
Válvula de Controle de Pressão
Saída de Óleo
Válvula de Controle Água de Nível
Óleo
Os sistemas de separação dos fluidos de produção podem ser subdivididos em quatro tipos:
No primeiro tipo (figura 10) – sem separação de fluidos – a planta de processo visa executar somente teste e avaliação da produção dos poços. O escoamento do fluido produzido é efetuado em fluxo multifásico pelo oleoduto até uma planta central onde ocorrerá o processamento.
Fig. 10 -
Separador de Teste
Gás
Exportação
Sistema sem Separação de Fluidos
Poços
Petróleo
No segundo tipo (figura 11) – com separação bifásica – a planta de processo é bastante simples, consistindo de coletores de produção, separador de teste, separadores bifásicos de produção, tanque acumulador ( surge tank ) e sistema de transferência e medição da produção, além das facilidades para aproveitamento do gás associado e utilidades (água, ar comprimido e energia elétrica). Neste tipo não há descarte de água produzida, que é transferida junto com o óleo.
Fig. 13 -
Poços
Petróleo
Anti-espumante Desemulsificante
Separador 1 O^ Estágio
Óleo Separador 2 O^ Estágio
Separador 3 O^ Estágio
Dessalgação
Gás Gás
Água Oleosa
Gás
Sistema com Separação Trifásica e Tratamento de Óleo
A Bacia de Campos (UN-BC e UN-RIO) possui vários Sistemas de Produção, operando em diversas áreas e distribuídos como segue: ( Tipo 1 : sem separação de fluidos; 2: com separação bifásica; 3 : com separação trifásica; 4: com separação trifásica e tratamento eletrostático; 5: só com tratamento eletrostático):
PLATAFORMA CAMPO
CAPACIDADE PROCESSAM. ÓLEO (BPD)
TIPO DE PLATAFORMA
TIPO DE SISTEMA UN-BC PVM1 VERMELHO 13.000 FIXA 1 PVM2 VERMELHO 13.000 FIXA 1 PVM3 VERMELHO 13.000 FIXA 1 PCP1 CARAPEBA 15.000 FIXA 1 PCP2 CARAPEBA 15.000 FIXA 1 PCP3 CARAPEBA 20.000 FIXA 1 PPG1 PARGO 26.500 FIXA 4 PNA1 NAMORADO 40.000 FIXA 3 PNA2 NAMORADO 60.000 FIXA 3 PCH1 CHERNE/BAGRE 50.000 FIXA 3 PCH2 CHERNE 60.000 FIXA 3 PCE1 ENCHOVA/BONITO 86.000 FIXA 2 PPM1 PAMPO 85.000 FIXA 4 PGP1 GAROUPA / GAROUPINHA 200.000 FIXA 4 SS06 Área Sul 170.000 SS 5 P07 BICUDO 50.000 SS 2 P08 MARIMBÁ 52.000 SS 3 P09 CORVINA / Malhado / Congro 40.000 SS 2 P12 LINGUADO 50.000 SS 2 P15 PIRAÚNA 45.000 SS 2 P18 MARLIM 110.000 SS 3 P19 MARLIM 100.000 SS 4 P20 MARLIM 65.000 SS 2 P25 ALBACORA 100.000 SS 2
P26 MARLIM 125.000 SS 4 P27 VOADOR 50.000 SS 4 P31 ALBACORA 100.000 FPSO 4 P32 MARLIM 120.000 FSO 5 P33 MARLIM 60.000 FPSO 4 P35 MARLIM 130.000 FPSO 4 P37 MARLIM 180.000 FPSO 4 P47 MARLIM 150.000 FPSO 5 ESPF ESPADARTE 100.000 FPSO 4 FPSO Cidade do Rio de Janeiro (dezembro 2006)
ESPADARTE 100.000 FPSO 4
UN-RIO P40 / P38 MARLIM-SUL–MÓD 1 156.000 SS/FSO 4 P43 BARRACUDA 150.000 FPSO 4 P48 CARATINGA 150.000 FPSO 4 P50 ALBACORA LESTE 180.000 FPSO 4 FPSO MLS MARLIM-SUL–MÓD 1 100.000 FPSO 4 FPSO Brasil RONCADOR 90.000 FPSO 4 P51 (2008) MARLIM SUL–MÓD 2 180.000 SS 4 P52 (2007) RONCADOR– MÓD 2 180.000 SS 4 P53 (2007) MARLIM LESTE 180.000 FPU 4 P54 (2007) RONCADOR– MÓD 2 180.000 FPSO 4 P55 (2010) RONCADOR– MÓD 3 180.000 SS 4 P56 (200?) MARLIM SUL – MÓD. 3 100.000? 4 FR (?) FRADE 100.000? 4 UEP-RO4(20??) RONCADOR – MÓD. 4?? - UEP-MLS4 (20??) MLS – MÓD. 4?? - PRA (2006) Plataforma somente de rebombeio UN-ES FPSO Capixaba GOLFINHO 100.000 FPSO 4 FPSO SEILLEAN GOLFINHO 20.000 FPSO 2 P34 (2006) JUBARTE 60.000 FPSO 4 FPSO Cidade de Vitória (2007)
GOLFINHO - MÓD 2 100.000 FPSO 4
P57 (2010) JUBARTE – MÓD. 2 180.000 FPSO BR 4 UN-BS PMXL1 (2009) Mexilhão 20.000 bpd (cond) 15 10^6 m^3 (gás)
FIXA Gás
MLZ1 Merluza 5.000 bpd (cond) 1,8 10^6 m^3 (gás)
FIXA Gás
SS-11/FSO Avaré Coral / Estrela do Mar 20.000 SS/FSO 4
OBSERVAÇÕES:
A pressão de trabalho do separador também pode ser modificada, visando otimizar a produção de óleo e aproveitar o gás produzido. É comum termos o processo de separação em estágios, ou seja, em alta pressão (~9 kgf/cm^2 ), em média pressão (~3 kgf/cm^2 ) e baixa
Os separadores gravitacionais trifásicos removem a água livre, porém não conseguem retirar do óleo efluente a água emulsionada, que necessita ser removida para atender às especificações de exportação. Estas especificações limitam o teor de BS&W em no máximo 1% em volume e o teor de sais dissolvidos na água em no máximo 570 mg/L de sais no óleo.
Para entender melhor o funcionamento dos Tratadores de óleo é importante conhecer melhor as emulsões do tipo A/O.
Uma emulsão é formada quando dois líquidos imiscíveis sofrem uma forte agitação e por conseqüência são levados a um íntimo contato, ocorrendo a dispersão de um deles, sob a forma de gotículas, no outro líquido. No caso das emulsões de petróleo, a fase dispersa é a água e a fase contínua, o petróleo.
De acordo com a dimensão das gotículas dispersas, a água apresenta-se na fase óleo como:
A existência de energia cisalhante que é imposta aos fluidos durante sua produção, apesar de gerar a dispersão da água co-produzida na fase óleo, não é suficiente para estabilizar uma emulsão. Para que uma emulsão seja considerada estável, três condições devem ser satisfeitas:
Sem a terceira condição, i.e., a existência de agentes emulsificantes, a dispersão apesar de formada tenderá à separação das fases puras, que é, termodinamicamente, a situação de menor energia do sistema constituído por fluidos imiscíveis. Os agentes emulsificantes são espécies químicas presentes no petróleo que apresentam ação surfactante ou tensoativa em função de sua estrutura molecular. Estes compostos apresentam em suas moléculas regiões polares e apolares que lhes conferem um caráter anfifílico (hidrofílico e lipofílico), isto é dupla afinidade, tanto pela água como pelo óleo. Assim, quando as gotas de água são geradas, esses emulsificantes migram e alojam-se na superfície desstas gotas, criando uma barreira (película ou filme interfacial), que impede o contato entre as gotas, e portanto sua coalescência. A rigidez do filme irá depender da natureza e da quantidade de moléculas de emulsificantes adsorvidos na superfície das gotas e do grau de empacotamento dessas moléculas.