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6. TRATAMIENTO Y DESECHO DEL AGUA (6,10) El agua que resulta del tratamiento de la producción en un campo de petróleo debe ser tratada antes de ser desechada. El método de desecho se debe definir desde las etapas iniciales del diseño del sistema de tratamiento para la producción. Entre los métodos de desecho más comunes se pueden mencionar: inyectarla a yacimientos agotados, inyectarla a pozos de inyección en procesos de recuperación mejorada, utilizarla como refrigerante o como agua de dilución en otros procesos en el mismo campo, y, en algunos casos, se descarga al mar o a las corrientes de agua naturales. El costo de tratamiento, manejo y desecho del agua puede llegar a ser un porcentaje importante en la producción de un barril de petróleo, sobre todo cuando se tienen campos maduros y costafuera. La producción de agua es actualmente aproximadamente tres veces la de petróleo y aunque existen campos, especialmente campos nuevos, donde no hay producción de agua existen campos maduros con cortes de agua de mas del 90%; campos donde para producir 100000 barriles de petróleo se deben producir 2 millones de barriles de agua. Casi todos los países del mundo han establecido normas claras sobre la calidad de las aguas de desecho con el fin de evitar contaminación y daños ecológicos. Fundamentalmente se debe evitar que estas aguas lleguen a corrientes naturales o contaminen los suministros superficiales o de subsuelo del agua para consumo humano. Las aguas residuales en campos petroleros generalmente contienen residuos aceitosos, contenido alto de minerales, gases disueltos y compuestos ácidos. El método de desecho a aplicar definirá cuáles contaminantes y en qué cantidad deben ser retirados del agua mediante el proceso de tratamiento. El agua que se va a inyectar a un pozo en un proceso de inyección requiere mucha mayor calidad que la que se va desechar inyectándola a un yacimiento agotado. Las regulaciones para la calidad del agua que se va a desechar al océano son muchos mayores que las de las aguas que inyectan a pozos profundos. Aunque es raro, algunas veces aguas residuales se descargan a corrientes superficiales de suministro de agua; cuando esto ocurre la calidad, como es lógico, debe ser la de agua perfectamente potable. Cuando el agua se va inyectar a pozos profundos o formaciones productoras se le debe eliminar completamente el oxígeno y el aire. El oxígeno disuelto en el agua de inyección puede activar ciertas bacterias en la formación y el subsiguiente crecimiento de tales bacterias puede taponar completamente la zona contigua a la pared del pozo. Una manifestación de la actividad de bacterias es la necesidad de presiones más altas para inyectar el agua. Además algunas bacterias activadas por oxígeno se vuelven bastante corrosivas y atacan las superficies metálicas creando problemas de mantenimiento en el equipo de superficie y de subsuelo. Actualmente, la mayoría de los sistemas para tratamiento y desecho de aguas residuales se diseñan para trabajar cerrados y a presión.

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6.1-. Sistemas de Tratamiento del Agua. En nuestro medio, con algunas excepciones, al agua se le hace un tratamiento sencillo tendiente a retirarle la máxima cantidad posible de petróleo y enfriarla; esto posiblemente sea debido a que dichas aguas no se usan en proyectos de inyección para recuperación mejorada, tampoco se desechan a corrientes superficiales de agua que sean utilizadas para consumo humano. En el proceso de tratamiento el agua se hace pasar por un sistema de piscinas en donde se le retira la mayor parte del petróleo, al salir de las piscinas se hace circular por algún sistema de zanjas y de filtros y de esta manera se considera que el agua está en condiciones de ser desechada. 6.1.1-. Sistemas de Piscinas y Zanjas. La mayoría de las veces el sistema de piscinas consiste en una serie de tanques a través de los cuales se hace pasar el agua; en cada tanque el agua permanece un determinado tiempo en reposo para que las gotas de aceite vayan subiendo; de esta manera se forma una película de aceite sobre la superficie del agua que luego se puede retirar por medios mecánicos o manualmente. Las figuras 42 y 43 muestran dos sistemas de piscinas y las flechas indican el recorrido que hace el agua a través de los tanques hasta que sale hacia el sistema de zanjas. En el sistema de piscinas mostrando en la figura 42 la capa de aceite se va retirando mediante un desnatador que consiste en un tubo (ver figura 42a) con una abertura (42b) colando en la parte alta de la piscina de tal manera que la abertura coincida con el contacto agua - aceite para que éste pueda entra al tubo y ser drenado a través de éste. La posición de la abertura depende del espesor de la capa de aceite (posición del contacto agua - aceite). El número de tanques en un sistema de piscinas puede ser variado dependiendo de la cantidad y tipo de mezcla que se vaya a tratar. El sistema de piscinas mostrado en la figura 43 no tiene desnatador y por tanto la capa de aceite hay que retirarla manualmente. Algunas veces a cambio del tubo desnatador se usa un sistema de láminas de acero las cuales están montadas en un sistema de engranajes que las hace rotar: la mitad de la circunferencia que forma la lámina queda sumergida en el fluido y al hacerla girar el petróleo se va quedando adherido a ella, luego la lámina pasa por un sistema de rodillos en donde es despojada del aceite que se había adherido a ella. De esta manera se retira el aceite que se va separando en la piscina. El agua después de salir del sistema de piscinas aún puede estar caliente y contener algo de aceite; principalmente con el fin de enfriarla el agua debe recorrer un sistema de zanjas en donde además de enfriarse puede perder parte del aceite que lleva, pues en sitios determinados de la zanja se colocan unas especies de compuertas que son filtros generalmente de madera (viruta o aserrín) en los cuales quedan atrapadas la mayor parte de las gotas que iban en el agua. El sistema de zanjas descarga el agua a las corrientes naturales de la región. Es importante hacerle un análisis químico al agua en el momento de salir de las zanjas y entrar a las corrientes naturales para chequear la calidad del agua que está saliendo.

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Figura 42. Sistemas de Piscinas y Desnatador para el Tratamiento de Aguas Residuales . 6.1.2-. Sistemas Complejos. La figura 44 muestra un sistema de tratamiento completo y típico para aguas residuales. El diagrama es un sistema compuesto e incluye unidades alternas que se pueden emplear o no dependiendo de las condiciones del agua a tratar y tratada. Las unidades de flotación, deionizadora y clorinadora no siempre se usan. El sistema mínimo debe incluir un desnatador (Skimmer), una unidad removedora de partículas oleófilas, una unidad de filtrado y tanques de almacenamiento. La calidad del agua obtenida con el sistema mínimo es satisfactoria cuando esta se va a desechar a pozos agotados. Si el agua se va a almacenar por varios días o se va a usar en proyectos de inyección se debe emplear un clorinador para controlar el crecimiento de bacterias. Cualquiera que sea el sistema, trabaja cerrado. 6.2-. Desnatadores (Skimmers). Los desnatadores (Skimmers) son generalmente el primer recipiente en el sistema de tratamiento para el agua. Al entrar el agua al desnatador, proveniente de tratadores o tanques de lavado, se deja en reposo en él para que las partículas de aceite, cuyo tamaño varía entre 25 y 150 micras, que aún permanecen suspendidas en el agua se puedan

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Figura 43. Sistemas de Piscinas para Tratamiento del Agua residual . separar y acumular en la parte superior de la fase agua. Cuando el fluido entre al desnatador se hace pasar por una unidad de coalescencia y distribución que consiste en un empaque de un diámetro igual a l del recipiente y de un espesor entre 1 y 2 pies elaborado con grava o con gránulos de carbón, aunque se prefiere este último por ser menos pesado, inerte y no sujeto al ataque de bacterias; además se puede limpiar fácilmente mediante retrolavado y no necesita reemplazarse. Las funciones de esta sección de coalescencia y distribución son retener algo de basura, distribuir la corriente de fluido por todo el recipiente y ayudar a la coalescencia de partículas de aceite. Al salir de la sección de coalescencia y distribución el fluido pasa un segundo compartimiento conocido como sección de asentamiento en la cual se separan las fases; el petróleo que se acumula sobre la superficie del al alcanzar un rebosadero, que puede ser ajustable, pasa a un tercer compartimiento de donde es drenado a través de una válvula que funciona por cabeza de líquido; el agua se retira de la sección de asentamiento a través de una válvula accionada por un control de nivel o por un mecanismo de sifón. La figura 45 muestra el corte longitudinal de dos desnatadores; el de la parte superior posee una unidad de filtración elaborada con arcilla o gránulos de carbón y el de la parte inferior la presenta elaborada con placas corrugadas; este tipo funciona bien para

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Figura 44. Sistema Complejo para Tratamiento de Agu as Residuales. distribuir la corriente de fluido y para ayudar a la coalescencia pero no para tener la basura atrapada en el fluido. El dimensionamiento del desnatador se hace de una manera similar al de los tanques de lavado. La unidad removedora de partículas oleófilas se usa con aguas que contienen aceite y partículas humectadas por éste tales como sulfuro de hierro o sólidos en suspensión. El recipiente posee un lecho gradado que hace las veces de filtro y el fluido entra por la partesuperior y hace el recorrido del filtro de arriba hacia abajo. Al entrar al recipiente y empezar a recorrer el filtro algo del petróleo libre se separa y es retirado del recipiente mediante algún mecanismo; al salir el fluido del filtro pasa a la sección de desnatación en

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Figura 45. Secciones Longitudinales de Desnatadore s Horizontales. A) con lecho de Filtración. B) con Lecho de Láminas Corrugadas. donde las partículas que lograron unirse al pasar a través del filtro se separan de la fase agua y cuando alcance un rebosadero pasan al compartimiento para el aceite de donde

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son retiradas. El agua se retira del recipiente en la sección de desnatación. El filtro se "retrolava" periódicamente para removerle las partículas acumuladas. La sección removedora de partículas oleófilas se usa en lugar de o con los desnatadores dependiendo del tipo y la procedencia del agua que se va a tratar, pero de todas maneras no son tan usados como los desnatadores, los filtros y las unidades de flotación. 6.3-. Filtros El filtro de lecho gradado consiste en un recipiente que posee en su interior un filtro formado por una sucesión de capas de arena de tamaño de grano variable, las de grano grueso en la parte por donde entra el fluido y las de grano más fino en la parte por donde sale el fluido; estas capas están sostenidas en la parte inferior por una lámina perforada y en la parte superior del filtro se tiene un sistema de distribución de la corriente de fluido. La longitud del empaque puede ser de 4 a 8 pies dependiendo de la calidad de la filtración que se desee y puede ser elaborado con arena común, arena de Ottawa o gránulos de carbón. En el filtro de placas permeables se tiene una serie de placas a base de lechos gradados como de placas permeables tiene flujo hacia abajo y hacia arriba; hacia abajo en el proceso de filtración y hacia arriba en el proceso de retrolavado. Las tasas normales de filtración son de 5 a 10 gpm por pie2 de filtro. Los filtros de flujo hacia abajo tienen la entrada por la parte superior y la salida por la parte inferior, los de flujo hacia arriba lo contrario y los de flujo dual tienen entrada tanto por encima como por debajo pero la salida es por la parte central; el proceso de retrolavado en todos los filtros es en la dirección hacia arriba. La figura 46, muestra esquemas de filtros de lecho gradado; observe que la capa de grano grueso es la primera que debe cruzar el fluido en el proceso de filtración y, por tanto, si el flujo es hacia abajo está en la parte superior, si es hacia arriba en la inferior y si es dual hay capa de grano grueso tanto en la parte superior como en la inferior del filtro. En el filtro de flujo hacia arriba el retrolavado es en la misma dirección de la filtración y por tanto las partículas atrapadas, en el filtro son forzadas a atravesar éste, por tanto la velocidad del retrolavado debe ser mayor que la de filtración para poder sacar las partículas; este tipo de filtro es poco usado. Las unidades de filtración se instalan por parejas para poder mantener continuamente el proceso de filtración pues mientras una se está retrolavando la otra puede estar en el proceso de filtración. De acuerdo con los resultados experimentales el filtro elaborado a base tierra de diatomáceas es más efectivo que de flujo dual y éstos a su vez más efectivos que los de flujo hacia abajo. La figura 47 es una carta que nos permite determinar la capacidad de un filtro de flujo dual conociéndose el tamaño y la velocidad de filtración. 6.4-. Unidades de Flotación. Las unidades de flotación se usan para remover petróleo y partículas de agua. La flotación consiste en agregar gas, el cual se espera que se adhiera después de suficiente agitación a las partículas de petróleo trayendo como consecuencia un aumento en el tamaño de partícula y una disminución en la densidad de la misma; estos dos efectos, de acuerdo con la ley de Stokes (ecuación (3.6)), incrementan la velocidad de

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Figura 46. Esquemas de Unidades de Filtración para el Tratamiento de Aguas Residuales.

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Figura 47. Carta para Determinar el Tamaño de un F iltro de Flujo Dual (6).. ascenso de la partícula de petróleo en la fase agua y aceleran la separación de las fases. Los gases más comunes usados para la flotación son Aire, CO2, Nitrógeno y Gas Natural, aunque preferencialmente el gas natural para evitar problemas de corrosión con oxígeno. Los sistemas de flotación son normalmente de dos tipos: de gas disuelto y de gas disperso, el primero también se conoce como unidad de flotación con gas y el segundo como unidad de flotación con agitación mecánica. En el sistema de flotación por gas disuelto el agua a tratar y el gas se mezclan bajo presión (unas 40-50 lpc), cuando el agua pasa a través de una válvula de control de presión hacia el tanque de flotación que trabaja a presión hace que se formen pequeñas burbujas que serán las que se separarán en el

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tanque de flotación. En un sistema de gas disperso se origina la dispersión de pequeñas burbujas de gas en el agua residual por medio de un agitador mecánico (por ejemplo un impulsor). La figura 48 esquematiza el proceso de flotación por gas disuelto el cual ocurre en cuatro pasos: - El agua aceitosa (residual) se pone en contacto con el gas a una presión de unos 45-

50 lpc. Al pasar por la bomba el gas y el agua pasan al recipiente de solución y retención donde el gas se disuelve en el agua y lo que no alcanza a disolverse es retirado; el tiempo de retención en este recipiente es de 1-3 minutos.

- Cuando el agua sale del recipiente de retención pasa por una válvula reguladora de

presión la cual despresuriza el agua y esto hace que el gas que inicialmente se había disuelto trate de liberarse formándose pequeñas burbujas.

- Al llegar a la celda de flotación las burbujas tratan de escaparse y al hacerlo se

adhieren a las gotas de aceite y sólidos en suspensión.

Figura 48. Esquemas de una Unidad de Flotación por Gas Disuelto.

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- La espuma formada por el gas, petróleo y sólidos en suspensión asciende a la parte

superior de la celda donde es retirada por algún tipo de desnatador. La separación agua - petróleo es acelerada porque las burbujas de gas al adherirse a las partículas de aceite le aumentan el tamaño y le disminuyen la densidad, lo cual, de acuerdo con la ley de Stokes, aumenta la velocidad de ascenso de la partícula. El agua limpia se va al fondo del tanque de flotación desde donde empieza a ascender a través de conductos que le permiten buscar la salida para el agua ubicada en la parte superior del tanque de flotación. La figura 49 muestra en la parte superior como se logra la dispersión del gas en el agua a tratar. La unidad de flotación posee un agitador que en su parte superior está conectado a un motor que le aplica movimiento rotacional, la parte inferior del agitador debe estar sumergida en el agua y es ensanchada con respecto al resto del agitador con el fin de que al rotar éste puede generar suficiente turbulencia. Un tubo externo rodea el agitador y el anular que se crea está conectado en la parte superior con la atmósfera o con gas; al rotar el agitador se produce vacío en el anular lo cual hace que el gas baje por el anular hacia el agua en donde debido a la turbulencia generada por el agitador se dispersa en la fase líquida. Las burbujas al tratar de escaparse se adhieren a las partículas de aceite y ya el proceso continúa similar al del sistema de flotación por gas disuelto. La parte inferior de la figura 49 muestra un sistema de flotación por gas disperso compuesto por cuatro celdas, en cada celda el fluido es retenido aproximadamente un minuto; en este caso el gas utilizado para la flotación es el mismo gas que se ha separado

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del agua residual o podría conectarse el sistema a un suministro de gas natural en el campo. La principal diferencia entre las unidades de flotación pro gas disuelto y disperso es entonces la forma como se agrega el gas y el hecho de que en las segundas la relación gas-líquido puede ser mucho mayor que en las primeras. Las unidades de flotación se pueden usar en serie con los desnatadores, o en reemplazo de éstos dependiendo de la cantidad de aceite, partículas oleófilas y sólidos en suspensión presentes en el agua a procesar. 6.5-. Unidades Desionizadoras. Las unidades deionizadoras son muy similares a los filtros en construcción y operación, simplemente que en un lugar del lecho que actúa como filtro se posee un lecho de resina (Zeolitas) que actúa como intercambiador de iones. Este lecho intercambiador de iones se recarga circulando una salmuera a través de él por un corto periodo de tiempo. Las unidades deionizadoras se usan en el tratamiento de aguas que contienen en solución sales de Ca y Mg, las cuales pueden ocasionar problemas de depositación de escamas cuando el agua se va a utilizar en sistemas de calentamiento o de generación de vapor. El lecho de Zeolitas también se puede usar para retirar aniones tales como sulfatos y carbonatos.

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Figura 49. Sistema de Flotación por Gas Disperso. a) Descripción de una Celda. b) Configuración del Sistema. El agua, con los cationes en suspensión, se hace pasar por el lecho de Zeolitas en donde es despojada de los cationes ya que éstos quedan adheridos al lecho. Como el lecho de Zeolitas se va saturando de cationes va perdiendo capacidad para retirarlos del agua y por ello es necesario hacerle periódicamente un retrolavado usando salmuera, y al igual que en los filtros el retrolavado siempre se hace de abajo hacia arriba y se usan en

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parejas para no tener que suspender el tratamiento del agua mientras se le hace el retrolavado a una de las deionizadoras. 6.6-. Removedoras de Gas Disuelto. Las removedores de gas disuelto se utilizan para retirar gas que hace ya podido quedar atrapado en el agua a pesar de hacerla llevado a una presión ligeramente por encima de la presión atmosférica. Los gases más comunes que quedan atrapados en el agua son H2S, O2, CO2 y Gas Natural. La presencia de esos gases casi siempre va a implicar problemas de corrosión y el caso del oxígeno de taponamiento de la formación en la zona contigua a la pared del pozo. El oxígeno se puede evitar impidiendo el acceso de aire a los equipos pero la presencia de los otros gases se debe a que están presentes desde el yacimiento como contaminantes del petróleo. Las unidades removedoras del gas disuelto son torres en las cuales el agua de proceso se pone en contacto con un gas dulce (o un gas inerte) o se somete a vacío para hacer que el líquido libere el gas disuelto en él. En algunos casos el agua o el gas despojador se calientan para mejorar la eficiencia de separación. La figura 50 muestra el esquema de una unidad removedora de gas por despojamiento; el agua entra por la parte superior de la torre y el gas entra por la parte inferior y establece contacto con el agua; en su trayectoria ascendente el gas retira las burbujas de gas que están atrapadas en el líquido. La clorinación de las aguas residuales se requiere cuando éstas se van a almacenar por varios días o cuando se van a usar para procesos de recuperación mejorada por inyección de vapor o agua. Se usan para controlar el crecimiento de bacterias y algas en el agua especialmente cuando ésta estuvo expuesta al aire en algunas etapas del proceso; el cloro se inyecta a la línea de agua en estado gaseosos que forme ácido hipoclórico.

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Figura 50. Unidad de Remoción de Gas por Despojami ento.

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REFERENCIAS. 1. Arnold, K. E and Stewart, M. Surface Productions Operations. (Vol. I. Design of Oil

Handling Systems and Facilities), 3rd Edition, Gulf Publishing Company - Book Division, Houston, TX. 2008, Chap. 9

2. Khatib, Z. and Verbeek, P., “Water to Value – Produced Water Management for Sustainable Field Development of Mature and Green Fields”, paper SPE 73853, 2003.

3. Ellis, M.M. and Fisher , P.W. “Clarifying Oilfield and Refinery Waste Waters by Gas Flotation”, JPT 04/73, pag.426.

4. Murti, D.G.K., Al-Muskati, A., H. and Sood, L.K. “Improved Disposal-Water Treatment at Bahrain Oil Fields”, SPEPE 11/88, Pag. 677.

5. Fang, C.S. and Lin, J.H. “Air Stripping for Treatment of Produced Water”, JPT 05/88, Pag. 619

6. Arnold, K.E. “Design Concepts for Offshore Produced - Water Treating and Disposal Sistems”, JPT 02/83, Pag. 276 (Paper SPE 9013).

7. Meldrun, N. “Hydrocyclones: A Solution to Produced Water Treatment”, SPEPE 11/88, pag. 669, (Paper SPE 16642).

8. Sport M.C. “Design and Operation of Dissolved Gas Flotation Equipment for the Treatment of Oilfield Produced Brines”, JPT 08/70, p. 920.

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