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Águas Produzidas DE PETRÓLEO:
origem e técnicas de tratamento.
Professora: Magna Angélica dos Santos Bezerra Sousa
Sumário
• O que são?
• Petróleo e Caracterísitcas dos Reservatórios
• Mecanismos de produção de petróleo: influxo e injeção de água
• Eficiência de varrido
• Águas produzidas são um produto?
• Características : gerais, Brasil, RNCE (composição, volumes produzidos)
• Comportamento termodinâmico e físico-químico
• O que fazer? Legislação
• Técnicas de Tratamento
• Disposição
• Horizontes - fechamento
Glossário
RGO - Razão Gás/Óleo – quociente entre as vazões de gás e de óleo.
RAO – Razão Água/Óleo – quociente entre as vazões de água e de óleo.
Cut de Água – quociente entre a vazão de água e a soma das vazões de óleo e
água
BSW – Basic Sediments Water - quociente entre a vazão de água mais
sedimentos e a vazão de óleo, água e sedimentos.
Volume original – quantidade de fluido na época da descoberta do reservatório.
Volume recuperável – o volume que efetivamente poderá ser produzido.
Fator de recuperação – quociente entre o volume recuperável e o volume
original.
Offshore – produção de petróleo em mar
Onshore – produção de petróleo em terra
Upstream – indústria petrolífera que envolve da pesquisa a produção de
petróleo.
Águas Produzida (AP) ou de Água de
Produção de Petróleo
O que são águas produzidas?
Toda água carreada junto com o óleo durante a produção de petróleo. Mas, e de onde vem essa água?
Produção de Petróleo
O petróleo é uma mistura complexa de hidrocarbonetos e
compostos orgânicos de oxigênio, enxofre e nitrogênio,
além de metais.
As características do petróleo são função do reservatório
de onde o mesmo é produzido.
O petróleo se encontra nos poros das rochas.
Características dos Reservatório
Rochas – as formações mais propensas a acumulação de
petróleo são os arenitos e calcários, que são formações
porosas.
Poros – os poros das rochas precisam ser permeáveis, ou
seja, interconectados para que seja possível a produção de
petróleo
As formações rochosas são, em geral, permeadas por
fluidos como água e petróleo.
O volume poroso da rocha-reservatório é ocupado pelos
fluidos: água, óleo e gás, o percentual de cada fluido no
volume poroso é definido como a saturação do fluido.
As saturações de cada um dos fluidos são dadas pelas
equações abaixo:
Em que são as saturações de óleo, gás e água;
E são o volume poroso e os volumes de óleo, água e
gás.
o – óleo, g – gás e w – água.
A água salina já saturava os poros das rochas quando o
petróleo migrou e chegou até lá. Devido a diferença de
densidade, o petróleo sobe e a água fica localizada abaixo.
Água Conata ou de Formação
A saturação de água que o reservatório apresenta ao ser
descoberto é função da água conata.
Essa água que se encontra nos poros da rocha reservatório
é denominada água conata ou de formação.
Mecanismos de Produção de Petróleo
Para que os fluidos contidos nos poros das rochas sejam
produzidos é necessária uma quantidade mínima de
energia. Além disso, outro material deve substituir o
espaço poroso ocupado anteriormente pelo fluido.
Na produção de petróleo ocorre:
Descompressão (expansão)
Deslocamento de um fluido por outro (geralemente água do
aquífero)
Mecanismos de Produção de Petróleo
Gás em solução
Figura 4: mecanismo gás em solução – Fonte: Rosa,
Carvalho e Xavier, 2006.
Capa de Gás
Figura 6: mecanismo de capa de gás - Fonte:
Rosa, Carvalho e Xavier, 2006.
Influxo de Água – a maior parte dos reservatórios brasileiros utilizam o
influxo ou a injeção de água para repor o espaço poroso deixado pelo
óleo produzido (Corrêa, 2006)
Figura 8 : mecanismo de produção por influxo de água -
Fonte: Rosa, Carvalho e Xavier, 2006.
Os reservatórios que operam sobre influxo de água, além
de terem RAO crescentes podem ser acometidos da
formação do cone de água e ainda de fingers ou fingering
(dedos), devido uma elevada mobilidade de água em
relação a mobilidade óleo
Formação de cone de água e fingering – fonte: Thomas, 2004
Métodos de Recuperação Secundária
de Produção de Petróleo – Métodos
convencionais.
Opções: aumentar a energia do reservatório (injeção de
fluidos) e redução das resistências viscosas e ou capilares
Injeção de fluidos: métodos imiscíveis
Injeção de gás
Injeção de água – a água pode ser usada para aumentar a
recuperação do petróleo. Esse é o método de recuperação
secundária mais usado no mundo.
A água de injeção deve ser quimicamente compatível com
a água de formação.
As configurações de injeção podem ser as mais diversas:
injeção periférica e ainda em malhas.
Mecanismos Avançados de Produção
de Petróleo – Recuperação Avançada
Métodos térmicos: injeção de água quente e
injeção de vapor.
Aditivos: polímeros, surfactantes, solução micelar,
solução alcalina
Eficiência de Varrido
Os métodos que usam água, seja na forma líquida seja na
forma de vapor, “varrem” o óleo em direção aos poços
produtores.
Essa frente de fluido deslocante pode apresentar, em
certos momentos, uma mobilidade de água maior que de
óleo, instante em que ocorre o “breakthrough”, que é o
avanço da água na zona de óleo.
Além do aumento crescente da RAO, o reservatório fica
com zonas “mortas”, onde o óleo não foi produzido.
A água sempre está presente nos reservatórios, entretanto,
a existência da água no reservatório não implica em
produção ou deslocamento da água até o poço no início de
sua vida produtiva.
Para que a água se desloque e seja produzida é
necessário que a saturação de água ultrapasse um valor
mínimo.
Essas considerações são válidas para o início da vida
produtiva, após o breakthrough, a produção de água não
para mais.
As Águas Produzidas são um
produto?
As águas produzidas são consideradas como um
subproduto da produção de petróleo.
Entretanto, pela características são um efluente da
indústria do petróleo e como tal devem ser tratadas e
descartadas.
Características Gerais: Volumes
produzidos
Mundo – só na China são produzidos 50 milhões de ton de
água produzida por ano (Yi et. al, 2012).
Estima-se, dados de 2009 (Ahmadum, 2009), que são
produzidos diariamente 250 milhões de barris de água de
produção para 80 milhões de barris por dia de óleo.
Brasil – só no ano de 1998 foram produzidos 9,3 x 106 m3
de água de produção na Bacia de Campos (maior produtor
nacional de petróleo.
RNCE – os volumes de água produzida na UN-RNCE já
ultrapassavam os 80 m3/d no ano 2002.
Fatores que afetam a produção
de AP Método de perfuração: um poço horizontal pode produzir
água em maior taxa de um poço vertical.
Em reservatórios homogêneos, o uso de poços horizontais
reduz a produção de água.
Tipos de completação: método de poço aberto evita a
perfuração em zonas de água. Por outro lado, o método de
completação perfurada oferece maior controle, devido a
possibilidade de teste entre os intervalos de perfuração.
O amadurecimento do campo produtor leva a necessidade
de perfuração em zona mais profundas, aumentando a
produção de água.
.
Elevação do contato água/óleo em função do mecanismo do
reservatório
Tecnologias de separação de água: utilização de polímeros para
gelificação de zonas e diminuição da permeabilidade relativa a
água.
Água de injeção para aumentar a recuperação de petróleo. É
necessário cada vez mais de injeção para manter os níveis de
produção, aumentando assim os volumes de água produzida.
Problemas mecânicos devido a corrosão ou ainda por fluxos e
pressão excessiva pode permitir
fluidos do reservatório indesejados.
Falhas na cimentação primária ou furos no revestimento
Comunicações subterrâneas: problemas de comunicações
subterrâneas acontecem perto dos poços ou reservatórios
podem gerar aumento da água produzida.
Entre os problemas de reservatório tem-se os cones de
água, canalização através de zonas de permeabilidade da
água, problemas de fraturamento de
zonas produtoras.
Composição das Águas Produzidas
As águas produzidas são um efluente complexo de
composição variável em função das características do
reservatório produtor.
Apesar dessa variabilidade, as águas produzidas sempre
têm óleo – livre, microemulsionado e dissolvido, Sólidos
Suspensos, Sais, Metais pesados, Radionuclídeos,
Microorganismos.
TDS – os reservatórios portadores de petróleo tem na
composição das rochas muitos sais e substâncias solúveis
em água, dessa forma as águas de produção apresentam
altos valores de TDS, principalmente as de locações
offshore.
Óleo livre ou disperso – os hidrocarbonetos presentes no
petróleo são praticamente insolúveis em água, de modo que
parte do óleo produzido fica livre ou disperso na água produzida.
Os HPAs tem a tendência a ficar disperso nas águas produzidas.
Microemulsionado – devido as condições de pressão e
temperatura a maior parte do óleo na água produzida se
encontra em gotículas de microemulsão.
Óleo dissolvido – os composto polares presentes no óleo são
solúveis em água e encontram-se dissolvidos na água
produzida. Entre esses compostos estão ácidos orgânicos como
ácido fórmico e propiônico. Fenóis e o grupo BTEX também
apresentam solubilidade em água e são de difícil remoção.
Sólidos Suspensos – além dos sólidos solúveis, a água
também pode carrear sólidos insolúveis, como areia, argila
ou ainda sais insolúveis como o sulfato de bário.
Metais – as formações rochosas contém metais que são
carregados pela água produzida. Os tipos de metais
presentes variam de acordo com as características de cada
campo produtor, como idade e geologia. Entre os metais
pesados encontram-se Pb, Cd, V, Mn, Hg, Zn, Fe, Cr, Cu.
Os cátions e ânions presentes conferem salinidade e
possibilidade precipitação (Ba+). Encontram-se Na, K, Ca,
Mg, Ba, Sr, Fe, Cl, SO4, CO3, HCO3.
Radionuclídeos – a água produzida também pode ter em
sua composição minerais radioativos naturais como 226Ra, 228Ra.
Microorganismos - as águas produzidas também carreiam
microorganismos presentes no reservatório, alguns desses
são bactérias anaeróbias e redutoras de sulfatos, fungos e
algas. Os microorganismos tem sido usado em pesquisas
para produção de biosurfactantes e biodegradabilidade das
águas..
Aditivos químicos – surfactantes, polímeros, entre outros.
Gases dissolvidos – as águas produzidas têm gases
dissolvidos como H2S, CO2 e O2.
Valores dos parâmetros em águas produzidas
Parâmetros
físico-químicos
Valores
médios de
águas
produzidas no
mundo 1
Mar do Norte
(Puntervold e
Austad, 2008)
Bacia de Shengli
–China, onshore
(Lu et. al, 2006)
Bacia de Campos
(Campos, 2000 e
Campos et al., 2002)
UN-RNCE
pH 7,0 6,8 7,68
Cloretos (mg/L
Cl-)
190.000 37.736 2910 45380
STD (mg/L) 310.000 64.960 80640 150.000
TOC (mg/L) 38.000 550
DQO (mg/L) 120.000 285,5 2100
DBO (mg/L) 2870 695
TOG (mg/L) 60 150 81,43 218 >10012
1 Fillo e Evans (1990) apud Fakhru’l-Razi (2009), 2Silva, 2002
Comportamento químico e
termodinâmico
As águas produzidas são bastante corrosivas e
incrustantes.
Pode-se supor a água de produção como uma pseudo-
solução e aplicar suas teorias, admitindo-se uma solução
de sal + óleo + água.
O óleo presente na água produzida tende aumentar sua
pressão de vapor, enquanto o sal promove o efeito inverso.
No balanço entre os dois efeitos pode-se ter uma pseudo-
solução com temperatura de ebulição maior que a da água
pura ou menor.
Toxicidade das águas produzidas
Dos elementos comumente encontrados em águas
produzidas, os metais pesados e os grupos aromáticos
(BTEX, PAHs) são os que apresentam maior potencial de
toxidade ao meio ambiente, seja a biota marinha seja aos
ecossistemas envolvidos no processo.
Os metais pesados têm efeito bioacumulativo, de modo que
além do efeito de toxidade local pode se bioacumular e
trazer efeitos nocivos aos seres humanos.
O que fazer?
Legislação
Cada país define os valores máximos permitidos para cada
um dos parâmetros como TOG, TDS, metais, OD,
temperatura, para descarte.
Na Austrália o limite de TOG é de 30 mg/L (valor médio)
podendo atingir um valor máximo instantâneo de 50 mg/L.
Nos EUA, os limites são 29 mg/L e 42 mg/L (USEPA)
China, 10 mg/L de TOG e 100 mg/L para DQO (dados
Ahmadum, 2009)
Resolução CONAMA 357 e as alterações pelas resoluções
393/2007 e 430/2011.
RESOLUÇÕES CONAMA
357/2005
393/2007
430/2011
Técnicas de Tratamento –
Processamento Primário de Fluidos
O processamento primário visa a separação dos fluidos
produzidos no poço para obtenção do óleo e ou gás.
O petróleo é o interesse econômico do processamento
primário, a água que é separada do óleo carreia consigo
impurezas em suspensão.
As plantas de processamento primário podem ser simples
ou complexas a depender das características dos fluidos,
da localização (onshore/offshore) e dos interesses
econômicos
A técnica de tratamento para águas produzidas é escolhida
em função dos custos, da região produtora, da legislação
local e qualidade requerida para água.
O tratamento da água produzida visa a redução
TOG,remoção de orgânicos solúveis, sólidos suspensos,
gases, sais,dureza, metais pesados, turbidez e sólidos, de
modo a deixar o efluente dentro dos padrões de
lançamento estabelecidos na legislação.
As técnicas de tratamento podem ser as convencionais, no
caso de água produzidas, processos físico-químicos para
redução do óleo.
Tratamento de Efluentes
Tratamentos Biológicos – os tratamentos biológicos são os
mais simples e de menor custo, além de apresentarem o
processo mais sustentável. Configuram-se pelo consumo
de carga orgânica por microorganismos que, após uma
sequencia de metabolizações transformam longas cadeias
carbônicas em CO2 , água, metano (tratamentos
anaeróbios).
Tratamentos Convencionais
O tipo de tratamento e a sofisticação do tratamento que a
água produzida vai receber é função da legislação e
também o espaço disponível para efetuá-lo.
As águas de produção apresentam alta complexidade e
variabilidade, de modo que exigem flexibilidade do
processo de tratamento.
As plataformas marítimas são plantas industriais em
espaço reduzido e ambiente hostil de modo que os
processos de tratamento têm que ser compactos e de
modo geral, a água produzida é tratada e descartado, via
tubo de despejo no mar.
Tratamentos de Águas Produzidas
Físico-químicos – desgaseificação, separador água-óleo,
emissário.
Hidrociclone – utiliza um campo centrífugo para separação.
Flotação - técnica de separação de partículas sólidas ou
óleos e graxas de uma fase líquida. Consiste na introdução
de pequenas bolhas de ar na fase líquida, de modo a
provocar um fluxo ascendente dos sólidos ou óleos com o
ar (decantação invertida), geralmente associada a
aplicação de tensoativos, a uma suspensão de partículas.
A flotação juntamente com os hidrociclones são os
processos de separação água/óleo mais usados na
indústria do petróleo. (MDIF)
Evaporação – utiliza as diferenças de volatilidade das
substâncias para realizar a separação. O principal efeito
dos processos de evaporação é a remoção do sal. A
evaporação pode ser acompanhada de destilação ou não.
Tratamentos por membranas
Osmose reversa – a água é forçada a atravessar uma
membrana que separa uma solução de baixa salinidade e
alta salinidade.
Ultrafiltração – Yi et. al, 2012, Ahmadun et. al, 2009
Processos oxidativos avançados – Foto-Fenton – utilizam a
radiação UV e reação radicalar. Podem utilizar sítios
metálicos para melhorar o processo de mineralização da
matéria orgânica.
Precipitação química – coagulação e floculação podem ser
usadas para remover partículas sólidos coloidais
Adsorção – algumas substâncias tem propriedade
adsorvente. O carvão ativado adsorve compostos
orgânicos e pode ser regenerado.
Troca iônica - consiste em passar o efluente por colunas
catiônicas de sódio suportado em uma zeólita, por
exemplo. A zeólita, composta geralmente por silicatos de
alumínio e sódio faz uma troca com a água libera o sódio e
incorpora o cálcio. No caso das águas produzidas pode-se
utilizar um recheio de hidrofóbico suportados nas zeólitas
de modo a adsorver compostos orgânicos dissolvidos.
Tratamentos Biológicos – os tratamentos biológicos são os
mais desejáveis devido oferecem os menores custos e
mineralização da carga poluente. Entretanto, no caso de
águas produzidas existem algumas limitações como a
salinidade elevada e a alta toxidade. As águas produzidas
têm baixa biodegradabilidade. Apesar desse fato, existem
proposições para tratamento biológico de águas
produzidas, aeróbios(como lodos ativados) e até
anaeróbios. Em alguns casos sugere-se um sistema
híbrido: físico-químico-biológico.
Resumo das técnicas - comparação
Tratamento Vantagens Desvantagens
Hidrociclone Compactos e com
alta eficiência
Pode necessitar
energia para
pressurização na
entrada, altos custos
de manutenção
Flotação Alta eficiência, fácil
operação
Necessidade de
grande quantidade de
ar
Adaptado de Ahmadun (2009)
Tratamento Vantagens Desvantagens Resíduos
Evaporação Alta qualidade da
água tratada
Alto consumo de
energia,
gerenciamento dos
sólidos
“lodos” – resíduo
sólidos
Ultrafiltração Compacto Alto consumo de
energia, inscrutação
Resíduos sólidos
Osmose Reversa Compacto,
remoção de sais
monovalentes
Alto consumo de
energia, incrustação
Resíduos sólidos
Lodos ativados Barato, tecnologia
limpa
Necessidade de
oxigênio e de
grandes dimensões
para o filtro
Tratamento Vantagens Desvantagens
POA’s Mineralização
completa, consegue
degradar substâncias
difíceis como fenóis
Geralmente apresentam
limitações em efluentes
salinos
Disposição
De modo geral, a disposição de água produzidas se dar por
re-injeção ou mar via emissário submarino.
A disposição final das águas produzidas incluem ainda
disposição em águas superficiais (Woodall et. al, 2001,
Woodall et. al, 2003
Para realidade brasileira, de acordo com Souza e Furtado
(2006), a opção mais utilizada, na época de publicação do
artigo, nas unidades da Petrobras para destino de águas é
o descarte, seja em superfície no oceano, seja em
subsuperfície em formações não produtoras.
Entretanto, devido os altos volumes produzidos, os custos
inerentes ao tratamento, a escassez de água e os
possíveis efeitos deletérios aos reservatórios e fauna e
flora marinhas, tem procurado desenvolver técnicas para
reuso de água produzidas tratadas.
no RN já existem ações para reuso de água de produção
(Gabardo, 2007). Na região do semi-árido existem projetos
pioneiros para uso de água de produção tratada na
irrigação de mamonas, para produção de biodiesel, e se
prevê como próximos passos à irrigação de helicônias.
No campo da Fazenda Belém, no Ceará, desse efluente
tratado tem sido usado para geração de vapor
Conclusão
Os cenários da indústria petrolífera não apontam para
diminuição ou estabilização dos volumes de água
produzidas.
Independente do compromisso em tratar os efluentes, as
indústrias têm sido chamadas para minimização da
produção de seus resíduos e isso também deve valer para
as indústrias petrolíferas.
Nessa esteira, devem ser investidos recursos para o
desenvolvimentode tecnologias que minimizem a produção
de água juntamente com o petróleo.
Figura 02: detalhe do poro de uma rocha –
reproduzido de Rosa, Carvalho e Xavier, 2006
Figura 01: detalhe de um reservatório de petróleo
Figura 05: curvas de pressão e razão gás/óleo - Fonte: Rosa,
Carvalho e Xavier, 2006.
Figura 07: curvas pressão e razão gás/óleo para
mecanismo de capa de gás - Fonte: Rosa, Carvalho e
Xavier, 2006.
Figura 09: curvas pressão e razão gás/óleo mecanismo
influxo de água
Figura 11 : influxo de água em 3D - Fonte: Rosa,
Carvalho e Xavier, 2006.
Figura 12: esquema de produção de petróleo por injeção de vapor
Figura 13: sistema de injeção de água pela base
Figura 14 : sistema de injeção em malhas -
Fonte: Rosa, Carvalho e Xavier, 2006.
Fonte: http://www.dgeg.pt/dpep/pt/history_pt.htm
Figura 03: testemunho de rocha reservatório
Figura: microfotografia de uma rocha-reservatório contendo óleo.
Fonte: Thomas et. al, 2004
óleo
quartzo
Feldspato
argila mica
carbonato
Fluxograma do processamento primário dos fluidos produzidos
Fluxograma simplificado tratamento de águas produzidas
Funcionamento de um hidrociclone – Fonte: Thomas, 2004.
Esquema de tratamento de água em plataformas marítimas
Fonte: Thomas et. al, 2004
Coluna de Flotação e material flotado em tanque
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