tesis facilidad villano.pdf
TRANSCRIPT
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I
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II
UNIVERSIDAD TECNOLGICA EQUINOCCIAL
FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERA
ESCUELA DE PETRLEOS
TECNOLOGIA DE PETROLEOS
ESTUDIO DEL PROCESO DE DISEO Y CONSTRUCCIN DE UN
SEPARADOR TRIFSICO FREE WATER KNOCKOUT PARA EL CAMPO
VILLANO ALFA DE LA EMPRESA AGIP OIL ECUADOR POR LA EMPRESA
ACERO DE LOS ANDES
Tesis previa a la obtencin del Ttulo de:
TECNLOGO DE PETRLEOS
Autor:
TOMS FREIRE CRUZ
Director de tesis:
ING. VINICIO MELO
Quito Ecuador
2010
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III
DECLARACIN
Del contenido del presente trabajo se responsabiliza nica y exclusivamente el autor.
Kleber Toms Freire Cruz
CI. 171691873-3
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IV
CERTIFICACIN DEL DIRECTOR
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V
CARTA DE LA EMPRESA
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VI
DEDICATORIA
A Estefana y Ma. Eduarda que colman mi vida de alegras y me alimentan con su
amor para seguir adelante; son las personas que da a da me sirven de inspiracin para
seguir adelante en mi crecimiento personal y profesional.
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VII
AGRADECIMIENTO
Al finalizar este trabajo, no puedo olvidar agradecer a las personas sin quienes
no hubiese sido posible concretarlo.
A Patricia y Eduardo, sin su apoyo, consejo y comprensin durante todo este
tiempo, por haberse tornado mis guas.
A mi madre, Edna por apoyarme a lo largo de mis estudios, por formarme e
inculcarme todos sus valores.
A los Ingenieros Vinicio Melo, Jorge Mio, Pablo Espinel y Reinaldo Vivanco,
de la misma forma a Industrias Acero de los Andes S.A y a AGIP ENI Oil Ecuador y
por brindarme los instrumentos necesarios para alcanzar el xito de este proyecto.
A mi hermano Joel, a mis amigos y compaeros de carrera, sin cuyo apoyo
incondicional no hubiese alcanzado este sueo.
A la Universidad Tecnolgica Equinoccial y toda su planta docente, por su
vocacin de servicio al formar profesionales ntegros para el servicio de la sociedad.
A todos Gracias.
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VIII
RESUMEN
La presente investigacin tiene como objetivo presentar los fundamentos
tericos de diseo y construccin de separadores trifsicos, primordialmente los equipos
Free Water Knockout, con el fin de brindar los conocimientos necesarias de modo que
sean herramientas para entender su funcionamiento y diseo conceptual. De la misma
forma se exponen algunas consideraciones concretas aplicadas al diseo de equipos de
separaciones cuyo volumen de operacin ser mayor al 50%.
En el Captulo II se presenta en detalle las instalaciones de procesamiento de
crudo del campo Villano Alfa, lugar donde se dispuso el equipo de separacin objeto
del presente estudio, y se hace una descripcin de los problemas de la misma.
El Captulo III hace nfasis en presentar de manera clara las principales
caractersticas de la separacin de fases.
A lo largo del Captulo IV se cubren los detalles relacionados con la estructura,
funcionamiento, problemas operacionales y seleccin con los principales tipos de
equipos de separacin utilizados en la industria petrolera.
El Captulo V detalla el funcionamiento y particularidades de los equipos de
separacin trifsica, sus internos, detalles de servicio y principales aplicaciones.
El diseo conceptual est fundamentado y explicado a lo largo del Captulo VI,
se presentan las ecuaciones utilizadas para el mismo, haciendo distincin en el caso
particular de equipos para volmenes de diseo y operacin diferentes al 50% del
cilindro.
Respecto al proceso de construccin del separador el Captulo VII describe
brevemente los procesos y equipos empleados para este propsito, as como algunos
procedimientos no invasivos para verificar la calidad de los procesos.
Finalmente en el Captulo VIII, se enuncian conclusiones y recomendaciones
producto de la culminacin del presente trabajo.
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IX
SUMMARY
This research aims to present the theoretical foundations of design and
construction of three-phase separators, primarily the Free Water Knockout equipment,
to provide the necessary knowledge as tools to understand how it works and the
conceptual design of it. In the same way , specific considerations applied to the design
of the separation equipment whose volume of operation is greater than 50%, are
exposed.
Chapter II provides details of the oil processing facilities of the field Villano
Alfa, place where the separator which is studied in this work was installed, and a
description of the problems of the field is pointed out .
Chapter III emphasizes the clear presentation of the main features of phase
separation.
The details related to the structure, operation, operational problems and selection
of the main types of separation equipment used in the oil industry are covered in
chapter IV.
Chapter V details the functioning and particularities of the three-phase
separation, their internals, service details and main applications.
The conceptual design is informed and explained in chapter VI, and the
equations used for it, making distinction in the particular case of equipment for design
volumes different to the 50% of the cylinder.
About the process of construction, chapter VII briefly describes the processes
and equipment used for this purpose, as well as non-destructive procedures to verify the
quality of the processes.
Finally, in Chapter VIII, conclusions and recommendations are draw as product
of the culmination of this work.
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X
NDICE DE CONTENIDO
DECLARACIN ........................................................................................................ III
CERTIFICACIN DEL DIRECTOR ......................................................................... IV
CARTA DE LA EMPRESA ........................................................................................ V
DEDICATORIA ......................................................................................................... VI
AGRADECIMIENTOS ............................................................................................. VII
RESUMEN .............................................................................................................. VIII
SUMMARY ............................................................................................................... IX
NDICE DE CONTENIDOS ........................................................................................ X
NDICE GENERAL ................................................................................................... XI
NDICE DE FIGURAS .......................................................................................... XVIII
NDICE DE ECUACIONES .................................................................................... XXI
NDICE DE TABLAS ............................................................................................ XXII
NDICE DE ANEXOS........................................................................................... XXIII
ABREVIATURAS................................................................................................ XXIV
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XI
NDICE GENERAL
CAPTULO I .............................................................................................................. 1
1.1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ........................................................... 1
1.2. OBJETIVOS ..................................................................................................... 1
1.2.1. OBJETIVO GENERAL................................................................................. 1
1.2.2. OBJETIVOS ESPECFICOS ......................................................................... 1
1.3. JUSTIFICACIN E IMPORTANCIA DE LA INVESTIGACIN ................... 2
1.4. IDEA A DEFENDER ........................................................................................ 3
1.5. METODOLOGA ............................................................................................. 4
1.5.1. MTODOS ................................................................................................... 4
1.5.2. TCNICAS ................................................................................................... 4
1.5.2.1. TCNICA DE CAMPO ......................................................................... 4
1.5.2.2. RECOPILACIN BIBLIOGRFICA ................................................... 4
CAPTULO II ............................................................................................................... 6
2. CAMPO VILLANO ALFA ............................................................................... 6
2.1. UBICACIN .................................................................................................... 6
2.2. DATOS DEL CAMPO ...................................................................................... 6
2.3. CONSIDERACIONES AMBIENTALES .......................................................... 6
2.4. CARACTERIZACIN DEL CRUDO DEL CAMPO VILLANO ALFA .......... 7
2.4.1. RESULTADOS DE PRUEBAS DE DESMULSIFICACIN ........................ 9
2.5. DESCRIPCIN DE LAS UNIDADES Y DEL PROCESO ............................... 9
2.5.1. SISTEMA DE POZOS PRODUCTORES ..................................................... 9
2.5.2. SISTEMA DE POZOS INYECTORES ....................................................... 11
2.5.3. DISTRIBUIDOR DE PRODUCCIN (PRODUCTION MANIFOLD) ....... 11
2.5.4. EQUIPO DE SEPARACIN FREE WATER KNOCK OUT ........................ 12
2.5.4.1. CARACTERSTICAS DE LOS SEPARADORES .............................. 13
2.5.4.2. CONDICIONES DE DISEO DE LOS SEPARADORES .................. 13
2.5.4.3. CONDICIONES ACTUALES DE OPERACIN DE LOS
SEPARADORES ................................................................................. 14
2.5.5. SISTEMA DE TANQUES DE ALMACENAMIENTO ............................... 15
2.5.6. HIDROCICLONES ..................................................................................... 17
2.5.7. SISTEMA DE BOMBAS ............................................................................ 18
-
XII
2.5.7.1. BOMBAS CENTRFUGAS ................................................................ 18
2.5.7.2. BOMBAS DE LA LNEA DE FLUJO A/B/C/D .................................. 18
2.5.9. WATER INJECTION PUMPS A/B/C/D: .................................................... 19
2.5.10. OIL BOOSTER PUMPS A/B/C............................................................... 21
2.5.11. WATER BOOSTER PUMPS A/B/C/D ................................................... 22
2.5.12. UNIDAD SAMPLER O TOMA MUESTRAS ......................................... 22
2.5.13. SISTEMA DE INYECCIN DE QUMICOS ......................................... 23
2.6. FACILIDADES CENTRALES DE PRODUCCIN (CPF) ............................. 24
2.7. DESCRIPCIN DEL PROBLEMA ................................................................ 25
CAPTULO III ........................................................................................................... 39
3. SEPARACIN DE FASES ................................................................................. 39
3.1. CONSIDERACIONES BSICAS ................................................................... 39
3.1.1. PRINCIPIOS DE LA SEPARACIN FSICA ............................................ 39
3.1.2. MOMENTUM (CANTIDAD DE MOVIMIENTO) ..................................... 39
3.1.3. FUERZA DE GRAVEDAD ........................................................................ 39
3.1.4. COALESCENCIA....................................................................................... 41
3.2. FUNDAMENTOS DE LA SEPARACIN AGUA-PETRLEO .................... 41
3.2.1. FORMACIN DE EMULSIONES ............................................................. 41
3.2.2. PRUEBA DE BOTELLA ............................................................................ 43
3.2.3. DESMULSIFICACIN .............................................................................. 44
3.2.4. EFECTOS DE LA TEMPERATURA .......................................................... 45
3.3. DESCRIPCIN DEL PROCESO DE SEPARACIN ..................................... 46
3.3.1. SEPARACIN PRIMARIA ........................................................................ 47
3.3.1.1. SECCIN DE SEPARACIN PRIMARIA ......................................... 47
3.3.1.2. SECCIN DE SEPARACIN SECUNDARIA .................................. 48
3.3.1.3. SEPARACIN POR COALESCENCIA ............................................. 48
CAPTULO IV ........................................................................................................... 40
4. EQUIPOS DE SEPARACIN ............................................................................ 40
4.1. INTRODUCCIN .......................................................................................... 40
4.2. CONSIDERACIONES BSICAS ................................................................... 41
4.3. REQUERIMIENTOS DE LOS SEPARADORES ........................................... 42
4.4. CONSIDERACIONES DE LOS SEPARADORES ......................................... 42
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XIII
4.5 SEPARADORES VERTICALES .................................................................... 43
4.5.1. VENTAJAS ................................................................................................ 44
4.5.2. DESVENTAJAS ......................................................................................... 44
4.5.3. TAMBOR KO DE SUCCIN DE COMPRESOR ....................................... 46
4.5.4. TAMBOR KO DE LA ALIMENTACIN AL ABSORBEDOR DE GAS
CIDO ........................................................................................................ 46
4.6. SEPARADORES HORIZONTALES .............................................................. 46
4.6.1. VENTAJAS ................................................................................................ 46
4.6.2. DESVENTAJAS ......................................................................................... 47
4.6.3. SEPARADORES DE PRODUCCIN ........................................................ 48
4.6.4. TAMBORES DE ALIVIO ........................................................................... 48
4.6.5. SEPARADOR CENTRFUGO .................................................................... 49
4.6.6. SEPARADOR DE FILTRO ........................................................................ 49
4.6.7. SEPARADOR DE ENTRADA.................................................................... 50
4.6.8. SEPARADORES EN SERIE ....................................................................... 51
4.6.9. TANQUES DE VENTEO ........................................................................... 51
4.6.10. TRAMPAS O KNOCKOUT DRUMS ...................................................... 52
4.6.11. SEPARADOR DE BACHES ................................................................... 52
4.7. FUNCIONAMIENTO DE LOS SEPARADORES .......................................... 52
4.8. FUNCIONES DE LOS SEPARADORES ....................................................... 53
4.8.1. REMOCIN DEL PETRLEO DEL GAS ................................................. 54
4.8.2. REMOCIN DEL GAS DEL PETRLEO ................................................. 54
4.8.3. SEPARACIN DEL AGUA DEL PETRLEO .......................................... 55
4.8.4. FUNCIONES SECUNDARIAS DEL SEPARADOR .................................. 55
4.9. FLUIDOS DEL POZO Y SUS CARACTERSTICAS .................................... 56
4.9.1. PETRLEO CRUDO .................................................................................. 57
4.9.2. CONDENSADO ......................................................................................... 57
4.9.3. GAS NATURAL ......................................................................................... 57
4.9.4. GAS LIBRE ................................................................................................ 57
4.9.5. SOLUCIN DE GAS .................................................................................. 58
4.9.6. VAPORES CONDENSABLES ................................................................... 58
4.9.7. AGUA ASOCIADA .................................................................................... 58
-
XIV
4.9.8. IMPUREZAS Y MATERIALES EXTRAOS............................................ 58
4.10. VRTICES ..................................................................................................... 59
4.11. PROBLEMAS OPERACIONALES ................................................................ 60
4.11.1. FORMACIN DE ESPUMA .................................................................. 60
4.11.2. FLUJO DE AVANCE ............................................................................. 61
4.11.3. MATERIALES PEGAJOSOS ................................................................. 61
4.11.4. PRESENCIA Y ACUMULACIN DE SLIDOS .................................. 61
CAPTULO V ............................................................................................................ 65
5. FREE WATER KNOCKOUT ............................................................................. 65
5.1 SEPARADORES HORIZONTALES CON BOTA DECANTADORA ........... 65
5.2 TAMBORES HORIZONTALES CON LAS DOS FASES LQUIDAS
DENTRO DEL CUERPO CILNDRICO ........................................................ 67
5.3 TAMBORES HORIZONTALES CON COMPARTIMIENTOS SEPARADOS ..
........................................................................................................................ 68
5.4 DESCRIPCIN DE LOS INTERNOS DEL SEPARADOR ............................ 70
5.4.1 FUNCIONES DE LOS INTERNOS ............................................................ 70
5.4.2 DEFLECTORES ......................................................................................... 72
5.4.3 DISTRIBUIDORES DE ENTRADA ........................................................... 72
5.4.4 CICLONES ................................................................................................. 73
5.4.5 EXTRACTOR DE NIEBLA ........................................................................ 74
5.4.5.1 EXTRACTOR DE NIEBLA TIPO MALLA ........................................ 74
5.4.5.2 EXTRACTOR DE NIEBLA TIPO PLACAS ....................................... 76
5.4.5.3 EXTRACTOR DE NIEBLA TIPO CICLN ....................................... 78
5.4.6 PLACA ROMPE-VRTICES ..................................................................... 78
5.4.7 PLACAS ROMPE-ESPUMAS .................................................................... 80
5.4.8 ROMPE-OLAS ........................................................................................... 80
5.4.9 TUBERAS INTERNAS ............................................................................. 81
CAPTULO VI ........................................................................................................... 83
6. DISEO DEL SEPARADOR ............................................................................. 83
6.1 DEFINICIONES PREVIAS ............................................................................ 83
6.1.1 TEMPERATURA DE DISEO .................................................................. 83
6.1.2 TEMPERATURA DE OPERACIN .......................................................... 84
-
XV
6.1.3 TEMPERATURA DE OPERACIN MXIMA ......................................... 84
6.1.4 TEMPERATURA DE OPERACIN MNIMA .......................................... 84
6.1.5 TEMPERATURA CRTICA DE EXPOSICIN (TCE) ............................... 84
6.1.6 TEMPERATURA MNIMA DE PRUEBA HIDROSTTICA .................... 85
6.1.7 PRESIN DE DISEO ............................................................................... 85
6.1.8 PRESIN DE OPERACIN ....................................................................... 85
6.1.9 PRESIN DE OPERACIN MXIMA ..................................................... 85
6.1.10 PRESIN DE OPERACIN MNIMA (VACO) ................................... 86
6.1.11 PRESIN DE TRABAJO MXIMA PERMISIBLE (MAWP) ................ 86
6.1.12 PRESIN DE PRUEBA HIDROSTTICA ............................................ 86
6.2 CONSIDERACIONES PARA EL DISEO .................................................... 86
6.2.1 DECANTACIN DE LAS FASES LQUIDAS .......................................... 86
6.2.1.1 VELOCIDAD DE DECANTACIN Y DE FLOTACIN .................. 86
6.2.1.2 COALESCENCIA ............................................................................... 89
6.2.2 IDENTIFICACIN DE LOS NIVELES EN UN RECIPIENTE .................. 89
6.2.2.1 VOLUMEN DE OPERACIN DE LA FASE LIVIANA .................... 93
6.2.2.2 TIEMPO DE RESIDENCIA DE OPERACIN DE LA FASE LIVIANA
............................................................................................................ 93
6.2.2.3 VOLUMEN DE OPERACIN DE LA FASE PESADA ..................... 94
6.2.2.4 TIEMPO DE RESIDENCIA DE OPERACIN DE LA FASE PESADA
............................................................................................................ 94
6.2.2.5 TIEMPO DE RESPUESTA O DE INTERVENCIN DEL OPERADOR
............................................................................................................ 94
6.2.2.6 VOLUMEN DE EMERGENCIA ......................................................... 95
6.2.2.7 NIVEL BAJO-BAJO DE LQUIDO LIVIANO ................................... 95
6.2.2.8 NIVEL BAJO DE INTERFACE .......................................................... 95
6.2.2.9 DIFERENCIA MNIMA DE NIVEL ENTRE NAAL y NBBL ............ 96
6.2.2.10 DIFERENCIA MNIMA DE NIVEL ENTRE NAI y NBI ................... 96
6.2.3 LONGITUD EFECTIVA DE OPERACIN (Leff) ...................................... 96
6.3 PROCESO A SEGUIR PARA DISEO DE SEPARADORES ....................... 97
6.4 DISEO DEL SEPARADOR TRIFSICO .................................................... 99
6.4.1 TEORA PARA EL DISEO ...................................................................... 99
-
XVI
6.4.1.1 SEPARACIN DEL AGUA Y EL PETRLEO ................................. 99
6.4.1.2 TAMAO DE LA GOTA DE AGUA EN EL PETRLEO ............... 100
6.4.1.3 TAMAO DE LA GOTA DE PETRLEO EN EL AGUA ............... 100
6.4.1.4 TIEMPO DE RETENCIN ............................................................... 101
6.5 PROCESO DE DISEO ........................................................................... 103
6.5.1 DIMENSIONAMIENTO DEL SEPARADOR ...................................... 104
6.5.2 DIMENSIONAMIENTO DE SEPARADORES HORIZONTALES CON
VOLUMEN DE LQUIDO DIFERENTE A 50% .................................. 104
6.5.2.1 RESTRICCIN POR CAPACIDAD DE GAS .................................. 108
6.5.2.2 RESTRICCIN POR LA ECUACIN DE SEPARACIN .............. 108
6.5.2.3 DETERMINACIN DE LA LONGITUD COSTURA-COSTURA ... 109
6.5.2.4 RELACIN DE ESBELTEZ ............................................................. 111
6.5.3 CONSIDERACIONES PARA EL DISEO MECNICO ..................... 112
6.5.4 TEMPERATURA PARA EL DISEO .................................................. 112
6.5.5 PRESIN DE DISEO ......................................................................... 112
6.5.6 ESFUERZOS MXIMOS PERMISIBLES ........................................... 113
6.5.7 DETERMINACIN DEL ESPESOR DE LA PARED DEL RECIPIENTE .
.............................................................................................................. 114
6.5.8 CORROSIN PERMISIBLE ................................................................ 115
6.5.9 PROCEDIMIENTO DE INSPECCIN ................................................. 115
6.5.10 ESTIMACIN DEL PESO DEL SEPARADOR ............................... 115
6.5.11 ESPECIFICACIONES PARA RECIPIENTES BAJO PRESIN ....... 117
6.5.12 BOQUILLAS .................................................................................... 117
6.6 PROCESO DE DISEO DEL SEPARADOR EN ESTUDIO .................... 118
CAPTULO VII ........................................................................................................ 126
7. DESCRIPCIN DE LA CONSTRUCCIN ..................................................... 126
7.1 ANTECEDENTES ........................................................................................ 126
7.2 SECCIN DE TRAZO Y CORTE ................................................................ 126
7.2.1 MQUINA DE OXICORTE CNC ............................................................ 126
7.2.2 PANTGRAFO DE CORTE .................................................................... 127
7.2.3 TORNO Y FRESADORA ......................................................................... 128
7.3 PROCESO DE DOBLADO........................................................................... 128
-
XVII
7.4 SECCIN DE SOLDADURA ...................................................................... 130
7.4.1 SOLDADURA DEL CILINDRO .............................................................. 131
7.4.2 SUELDA DE CORDN CONTINUO ...................................................... 132
7.4.3 CONSTRUCCIN DE LOS CASQUETES .............................................. 132
7.4.4 PRUEBAS DE SOLDADURA .................................................................. 133
7.5 BOCAS DEL SEPARADOR ......................................................................... 134
7.5.1 BOCAS PARA TOMA DE MUESTRAS .................................................. 135
7.5.2 MANHOLE ............................................................................................... 135
7.5.3 BOCA DE ENTRADA DE FLUIDOS ...................................................... 137
7.5.4 BOCAS DE SALIDA DE LOS FLUIDOS ................................................ 137
7.5.5 BOCAS PARA INSTRUMENTACIN .................................................... 137
7.6 DOMO DE GAS ........................................................................................... 138
7.7 CONSIDERACIONES ESPECIALES .......................................................... 139
7.8 PROTECCIN A LA CORROSIN............................................................. 140
7.9 SILLAS DEL SEPARADOR ........................................................................ 140
7.10 INTERNOS DEL SEPARADOR .................................................................. 141
7.10.1 DEFLECTOR ........................................................................................ 142
7.10.2 PLACA ROMPE VRTICE.................................................................. 143
7.10.3 EXTRACTOR DE NIEBLA .................................................................. 144
7.10.4 SISTEMA DE LIMPIEZA SAND JET ................................................... 146
7.11 GRANALLADO ........................................................................................... 146
7.12 RECUBRIMIENTOS .................................................................................... 148
7.13 REVESTIMIENTO ....................................................................................... 148
CAPTULO VIII ....................................................................................................... 151
8. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ................................................. 151
8.1 CONCLUSIONES ........................................................................................ 151
8.2 RECOMENDACIONES ............................................................................... 152
GLOSARIO DE TRMINOS ................................................................................... 154
BIBLIOGRAFA ...................................................................................................... 159
-
XVIII
NDICE DE FIGURAS
FIGURA 1. POZOS PRODUCTORES DEL CAMPO VILLANO A............................................. 10
FIGURA 2. POZOS INYECTORES ..................................................................................... 11
FIGURA 3. BATERA DE SEPARACIN CAMPO VILLANO A .............................................. 12
FIGURA 4. TANQUES DE ALMACENAMIENTO VILLANO ALFA ........................................ 16
FIGURA 5. HIDROCICLONES .......................................................................................... 17
FIGURA 6. BOMBAS DE LA LNEA DE FLUJO .................................................................. 19
FIGURA 7. BOMBA PARA INYECCIN DE AGUA WIP ...................................................... 20
FIGURA 8. BOMBAS BOOSTER A/B/C ............................................................................ 21
FIGURA 9. SAMPLER..................................................................................................... 22
FIGURA 10. SISTEMA DE INYECCIN DE QUMICOS ........................................................ 23
FIGURA 11. LAYOUT GENERAL DEL CPF ....................................................................... 24
FIGURA 12. MICROFOTOGRAFA DE UNA EMULSIN AGUA EN PETRLEO ........................ 42
FIGURA 13. ESTABILIZACIN DE LA EMULSIN ............................................................. 42
FIGURA 14. PROCEDIMIENTO DE LA PRUEBA DE BOTELLA ............................................. 44
FIGURA 15. EFECTOS DE LA TEMPERATURA EN LA VISCOSIDAD DE DIFERENTE CRUDOS .. 46
FIGURA 16. ACCESORIOS DE LA SECCIN DE SEPARACIN PRIMARIA ............................ 47
FIGURA 17. ACCIN DE LAS FUERZAS EN LA SEPARACIN DE FASES ............................... 48
FIGURA 18. DISPOSITIVOS DE LA SECCIN DE EXTRACCIN DE NIEBLA ......................... 49
FIGURA 19. SEPARADOR VERTICAL .............................................................................. 45
FIGURA 20. SEPARADOR HORIZONTAL .......................................................................... 47
FIGURA 21. DIMENSIONES TPICAS EN UN SEPARADOR CON ESPACIO PARA VENTEO ........ 48
FIGURA 22. FILTROS COALESCEDORES ......................................................................... 50
FIGURA 23. SEPARADOR DE FILTRO .............................................................................. 51
FIGURA 24. SEPARADOR HORIZONTAL .......................................................................... 53
FIGURA 25. VLVULAS TPICAS PARA MANTENER LA PRESIN ....................................... 56
FIGURA 26.PARTES DE UN VRTICE .............................................................................. 59
FIGURA 27. VRTICES EN UN SEPARADOR .................................................................... 60
FIGURA 28. SEPARADORES HORIZONTALES CON BOTA DECANTADORA ......................... 67
FIGURA 29. SEPARADORES HORIZONTALES CON LAS DOS FASES LQUIDAS DENTRO DEL
CUERPO CILNDRICO ............................................................................................. 69
-
XIX
FIGURA 30. SEPARADOR HORIZONTAL CON COMPARTIMIENTOS SEPARADOS .................. 71
FIGURA 31. TIPOS DE DEFLECTORES ............................................................................. 73
FIGURA 32.TIPOS DE DISTRIBUIDORES .......................................................................... 74
FIGURA 33. EXTRACTOR DE NIEBLA TIPO MALLA ......................................................... 75
FIGURA 34. EXTRACTORES DE NIEBLA TIPO PLACAS ..................................................... 77
FIGURA 35. EXTRACTOR DE NIEBLA TIPO CICLN ......................................................... 79
FIGURA 36. PLACAS ROMPE-VRTICE .......................................................................... 79
FIGURA 37. PLACAS ROMPE-ESPUMA ........................................................................... 80
FIGURA 38. PLACAS ROMPE-OLAS ............................................................................... 81
FIGURA 39. SISTEMA SAND JET .................................................................................... 81
FIGURA 40. IDENTIFICACIN DE LOS NIVELES EN SEPARADORES .................................... 91
FIGURA 41.NIVELES EN UN SEPARADOR HORIZONTAL .................................................. 92
FIGURA 42. DISTRIBUCIN DE TAMAOS DE GOTA PARA EL AGUA ............................... 102
FIGURA 43. RELACIN DE REAS () VS. ALTURAS () PARA SEPARADORES
HORIZONTALES LLENADOS CON VOLMENES DISTINTOS AL 50% DE LQUIDO. ...... 106
FIGURA 44. CONSTANTE PARA CLCULO DE LA RESTRICCIN POR CAPACIDAD DEL GAS VS.
ALTURA DEL LQUIDO EN SEPARADORES HORIZONTALES LLENADOS CON VOLMENES
DE LQUIDO DISTINTOS A 50% DE SU CAPACIDAD. ................................................ 107
FIGURA 45. DISTRIBUCIN DE LAS LONGITUDES ESTIMADAS EN UN SEPARADOR
HORIZONTAL. ..................................................................................................... 111
FIGURA 46. DETERMINACIN GRFICA DE PARA EL CASO EN ESTUDIO ...................... 120
FIGURA 47. DETERMINACIN GRFICA DE PARA EL CASO EN ESTUDIO ....................... 122
FIGURA 48. GRFICA DEL REA DEL SELECCIN DE LA COMBINACIN D-LSS, PARA EL
SEPARADOR EN ESTUDIO ..................................................................................... 123
FIGURA 49. EQUIPOS Y PROCESO DE TRAZO Y CORTE ................................................... 127
FIGURA 50. PANTGRAFO DE CORTE ........................................................................... 127
FIGURA 51. TORNOS Y MAQUINA FRESADORA ............................................................ 128
FIGURA 52. PROCESO DE DOBLADO PRIMARIO CON DOBLADORA DE 3 RODILLOS .......... 129
FIGURA 53. DOBLADO FINAL DE LA PLANCHA DE ACERO PARA CONFORMAR LOS ANILLOS
DEL CUERPO DEL SEPARADOR ............................................................................. 129
FIGURA 54. MQUINAS BOLEADORAS, PARA CONSTRUCCIN DE CASQUETES ............... 130
-
XX
FIGURA 55. PROCESOS PREVIOS A LA SOLDADURA; FABRICACIN DE BISELES, PLACAS DE
SUJECIN TEMPORAL DE ANILLOS SOLDADOS, CILINDRO FORMADO POR SUELDAS
PRELIMINARES. .................................................................................................. 131
FIGURA 56. MQUINAS SOLDADORAS DE CORDN CONTINUO ...................................... 132
FIGURA 57. CONSTRUCCIN DE CASQUETES DEL SEPARADOR; HEMISFRICOS Y
ELIPSOIDALES .................................................................................................... 133
FIGURA 58. DISTRIBUCIN DE LAS LONGITUDES EN LOS CASQUETES DEL SEPARADOR .. 133
FIGURA 59. RADIOGRAFA TOMADA A UN CORDN DE SUELDA, MUESTRA CAVIDADES A LO
LARGO DEL CORDN ........................................................................................... 134
FIGURA 60. PRUEBA DE FLUIDOS PENETRANTES, IZQ. DETALLE DE FALLA EN CORDN DE
SUELDA DELATADO POR LA COLORACIN ROJIZA. ................................................ 135
FIGURA 61. DISTRIBUCIN DE LAS BOCAS PARA TOMA DE MUESTRA E INSTRUMENTACIN
EN EL SEPARADOR .............................................................................................. 136
FIGURA 62. DISTRIBUCIN TPICA DE UN MANHOLE PARA SEPARADORES HORIZONTALES
.......................................................................................................................... 136
FIGURA 63. DOMO PARA GAS; DISEO Y CONSTRUCCIN FINAL ................................... 139
FIGURA 64. ESQUEMA Y VISTA PRELIMINAR DE SILLAS PARA REPOSO DEL CUERPO DEL
SEPARADOR EN ESTUDIO ..................................................................................... 141
FIGURA 65. TIPOS DE SOPORTE PARA LOS INTERNOS DEL SEPARADOR .......................... 142
FIGURA 66. DEFLECTOR TIPO CODO DE 90 ................................................................. 143
FIGURA 67. DETALLE DE LA PLACA ROMPE-VRTICES ................................................ 144
FIGURA 68. EXTRACTOR DE NIEBLA, COLOCADO BAJO EL DOMO DE GAS DEL SEPARADOR
.......................................................................................................................... 145
FIGURA 69. DETALLE DE UBICACIN DEL EXTRACTOR DE NIEBLA ................................ 145
FIGURA 70. COALESCEDOR TIPO ALETA, SECCIN DE COALESCENCIA ........................... 145
FIGURA 71. ESQUEMA DEL SISTEMA DE LIMPIEZA SAND JET ......................................... 147
FIGURA 72. COMPARACIN ENTRE SUPERFICIES SIN GRANALLAR (IZQ.) Y GRANALLADA
(DER.) ................................................................................................................ 147
FIGURA 73. SEPARADOR REVESTIDO CON LMINAS DE ACERO INOXIDABLE .................. 149
-
XXI
NDICE DE ECUACIONES
ECUACIN 1. VELOCIDAD TERMINAL ......................................................................... 40
ECUACIN 2. LEY DE STOKES .................................................................................... 40
ECUACIN 3. LEY DE STOKES (2) ............................................................................... 87
ECUACIN 4. VELOCIDAD DE DECANTACIN .............................................................. 88
ECUACIN 5. N DE REYNOLDS .................................................................................. 88
ECUACIN 6. VELOCIDAD TERMINAL ....................................................................... 100
ECUACIN 7. RELACIN DLEFF ................................................................................ 104
ECUACIN 8. RELACIN DLEFF (SI) ......................................................................... 104
ECUACIN 9. RELACIN D2LEFF .............................................................................. 105
ECUACIN 10. RELACIN D2LEFF (SI) ..................................................................... 108
ECUACIN 11. CLCULO DEL REA FRACCIONAL DEL AGUA W ............................... 108
ECUACIN 12. ALTURA FRACCIONAL W ................................................................. 109
ECUACIN 13. DIMETRO MXIMO .......................................................................... 109
ECUACIN 14. ESTIMACIN DE LSS (SI) ................................................................... 110
ECUACIN 15. ESTIMACIN DE LSS .......................................................................... 110
ECUACIN 16. ESPESOR DE PARED PARA RECIPIENTES CILNDRICOS .......................... 114
ECUACIN 17. ESPESOR DE PARED PARA CABEZAS ELIPSOIDALES 2:1 ........................ 114
ECUACIN 18. ESPESOR DE PARED PARA CABEZAS HEMISFRICAS ............................. 114
ECUACIN 19. PESO DEL CILINDRO........................................................................... 116
ECUACIN 20. PESO DEL CILINDRO (SI) .................................................................... 116
ECUACIN 21. PESO DE CASQ. ELIPSOIDALES ........................................................... 116
-
XXII
NDICE DE TABLAS
TABLA 1. REFERENCIAS DEL CAMPO VILLANO ALFA ...................................................... 6
TABLA 2. PROPIEDADES FSICAS DEL CRUDO VILLANO-8 ................................................. 7
TABLA 3. PRESENCIA DE CONTAMINANTES EN EL CRUDO VILLANO-8 .............................. 7
TABLA 4. COMPOSICIN DEL CRUDO VILLANO-8............................................................. 8
TABLA 5. VOLUMEN DE FLUIDOS PRODUCIDOS EN EL CAMPO VILLANO ALFA ................ 10
TABLA 6. CONDICIONES DE DISEO DE LOS SEPARADORES............................................. 14
TABLA 7. PARMETROS DE OPERACIN DE LA BATERA DE SEPARACIN ....................... 15
TABLA 8. DIMENSIONES DE LOS SEPARADORES ............................................................. 15
TABLA 9. CARACTERSTICAS DE LOS TANQUES DE VILLANO ALFA ................................ 16
TABLA 10. CARACTERSTICAS DE LAS BOMBAS DE LA LNEA DE FLUJO ......................... 18
TABLA 11. CARACTERSTICAS DE LAS BOMBAS DE TRANSFERENCIA.............................. 19
TABLA 12. CARACTERSTICAS DE LAS BOMBAS DE INYECCIN DE AGUA ........................ 20
TABLA 13. CARACTERSTICAS DE LAS BOMBAS BOOSTER PARA PETRLEO A/B/C ......... 21
TABLA 14. CARACTERSTICAS DE LAS BOMBAS BOOSTER PARA AGUA A/B/C/D ............ 22
TABLA 15. SISTEMA DE INYECCIN DE QUMICOS ........................................................ 23
TABLA 16 IDENTIFICACIN DE NIVELES EN UN RECIPIENTE ............................................ 90
TABLA 17. INFORMACIN REQUERIDA PARA EL DISEO DEL SEPARADOR ...................... 97
TABLA 18. RECOMENDACIONES PARA SELECCIN DEL SEPARADOR ............................... 98
TABLA 19. TIEMPO DE RETENCIN EN FUNCIN DE LA GRAVEDAD API DEL CRUDO ..... 103
TABLA 20. MNIMA DIFERENCIA ENTRE MAWP Y PRESIN DE OPERACIN ................. 113
TABLA 21. INFORMACIN UTILIZADA EN EL DISEO DEL SEPARADOR ........................... 119
TABLA 22. RESULTADOS DE LA ESTIMACIN DE D Y LSS PARA EL SEPARADOR EN ESTUDIO
.......................................................................................................................... 120
TABLA 23. DISTRIBUCIN DE LAS BOCAS DE SALIDA DE FLUIDOS DEL SEPARADOR DEL
SEPARADOR EN ESTUDIO .................................................................................... 137
TABLA 24. DISTRIBUCIN DE LAS BOCAS DESTINADAS A INSTRUMENTACIN EN EL
SEPARADOR EN ESTUDIO ..................................................................................... 138
TABLA 25. CARACTERSTICAS DE LA PLACA ROMPE VRTICES INSTALADA EN EL
SEPARADOR ....................................................................................................... 143
TABLA 26. DATOS DE CONSTRUCCIN DEL SEPARADOR EN ESTUDIO ............................ 152
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XXIII
NDICE DE ANEXOS
ANEXO 1. CURVAS DE LONGITUD VS. CAPACIDAD DEL TAMBOR .............. 164
ANEXO 2. LONGITUDES DE CUERDAS Y REAS DE LAS SECCIONES
CIRCULARES VS. ALTURAS DE LA CUERDA ............................................ 165
ANEXO 3. ESFUERZO PERMISIBLE PARA DISTINTOS MATERIALES ............ 166
ANEXO 4. TIPOS DE SOLDADURA PARA RECIPIENTES BAJO PRESIN ....... 167
ANEXO 5. FRMULAS PARA RECIPIENTES BAJO PRESIN INTERNA .......... 168
ANEXO 6. CONSIDERACIONES PARA RECIPIENTES BAJO PRESIN INTERNA
.......................................................................................................................... 169
ANEXO 7. ESPECIFICACIN DE MATERIALES PARA FABRICACIN DE
RECIPIENTES ................................................................................................. 170
ANEXO 8. FORMATO TPICO PARA DISEO DE SEPARADORES.................... 171
ANEXO 9. PROYECCIN DE LAS BOCAS PARA UN RECIPIENTE CILNDRICO
.......................................................................................................................... 172
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XXIV
ABREVIATURAS
ASME. American Society of Mechanical Engineers
BFPD Barriles de fluido por da
BPPD Barriles de petrleo por dia
BWPD Barriles a agua por dia
BS&W. Bold Solid and Water, Agua y Slidos totales disueltos
cP centiPoise.
CPF Central Processing Facilities
ESP Bomba electrosumergible
FWKO. Free Water Knockout
SSE. South South East, Sur Sureste
WNW West North West, Oeste Noroeste
W/O Emulsin normal; agua dispersa en petrleo.
WIP Water Injection Pump
-
CAPTULO I
-
1
CAPTULO I
4.1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
Es fundamental en el rea de produccin de petrleo crudo, luego de realizadas las
operaciones de perforacin, pruebas de produccin y completacin del pozo, direccionar
los fluidos producidos hacia las facilidades de produccin, lugar donde se separarn las
distintas fases componentes de la mezcla. El separador trifsico tipo Free Water
Knockout generalmente est ubicado como equipo inicial de este proceso, es
fundamental conocer su estructura, entender su funcionamiento y los fenmenos que
actan en la separacin mecnica de fases, para as poder concebir su diseo.
Conjuntamente el conocimiento del proceso de construccin del equipo ayuda a preveer
posibles problemas de operacin, y es una herramienta para implementar posibles
correcciones o innovaciones futuras al equipo.
4.2. OBJETIVOS 4.2.1. OBJETIVO GENERAL
Estudiar el proceso de diseo un separador trifsico FWKO para las facilidades
de produccin del Campo Villano Alfa y describir su construccin mediante la
aplicacin de directrices emitidas por la Norma ASME Seccin VIII, Divisin I en la
empresa Acero de los Andes SA.
4.2.2. OBJETIVOS ESPECFICOS
Exponer los antecedentes, limitaciones y metodologa empleada para el estudio
del proceso de diseo y construccin de un separador trifsico FWKO.
Describir los equipos y procesos que constituyen el Campo Villano Alfa.
Exponer los principios bsicos de separacin mecnica de fases y de
funcionamiento del separador.
Detallar la estructura y clasificacin de los equipos de separacin mecnica de
fases.
-
2
Describir los componentes y clasificacin de los separadores trifsicos Free
Water Knockout.
Estudiar la metodologa manejada para el diseo del separador trifsico para el
campo Villano Alfa.
Establecer las fases y equipos del proceso de construccin del separador trifsico
en la planta industrial de Acero de los Andes.
Plantear las perspectivas operativas del campo Villano Alfa luego de la inclusin
del equipo de separacin adicional.
4.3. JUSTIFICACIN E IMPORTANCIA DE LA INVESTIGACIN
La presencia de agua, gas y sedimentos asociados al petrleo crudo ha constituido
un serio problema para las operaciones de las facilidades de produccin, debido
principalmente al efecto abrasivo que producen sobre los equipos las sales y sedimentos
disueltos en el agua de formacin.
El agua y el crudo son esencialmente inmiscibles, por lo tanto, estos dos lquidos
coexisten como dos fases distintas. Durante las operaciones de extraccin del petrleo,
la mezcla bifsica de petrleo crudo y agua de formacin se desplazan en el medio
poroso a una velocidad promedio de 1 pie/da, lo que es insuficiente para que se forme
una emulsin. Sin embargo, al pasar por toda la infraestructura de produccin durante el
levantamiento y transporte en superficie (bombas, vlvulas, codos, restricciones, etc.) se
produce la agitacin suficiente para que el agua se disperse en el petrleo en forma de
emulsin agua/petrleo.
La importancia de este trabajo radica en la necesidad de extraer la mayor cantidad
posible de agua libre y gas asociado, hasta lograr reducir su contenido a parmetros de
operacin ptima para las siguientes unidades deshidratadoras de crudo, y finalmente
obtener un petrleo crudo con un porcentaje de BS&W igual o inferior al 0,5%
conforme al Acuerdo Ministerial 014 Reglamento para el Transporte de petrleo crudo
a travs del Sistema de Oleoducto Transecuatoriano y la Red de Oleoductos del Distrito
Amaznico, emitido por la Direccin Nacional de Hidrocarburos.
Prcticamente en todas las facilidades centrales de produccin, CPF por sus siglas
en ingls, se requiere de algn tipo de separacin de fases. El trmino separador es
-
3
aplicado a una gran variedad de equipos usados para separar mezclas de dos o ms
fases.
Los equipos de separacin mecnica generalmente constituyen procesos inciales en
un CPF por lo que una falla o baja capacidad de separacin afecta directamente a la
capacidad de toda la instalacin.
En el Ecuador se utilizan principalmente equipos separadores con disposicin
horizontal debido principalmente a que se tiene una relativa baja relacin gas-lquido,
adems su costo es menor en comparacin a equipos verticales destinados en su
mayora a separar la fase gaseosa.
En el diseo de separadores es necesario tomar en cuenta los diferentes estados en
que pueden encontrarse los fluidos y el efecto que sobre stos puedan tener las
diferentes fuerzas o principios fsicos.
Los principios fundamentalmente considerados para realizar la separacin fsica de
gas y lquido son: el momentum cantidad de movimiento, la fuerza de gravedad y la
coalescencia. Toda separacin puede emplear uno o ms de estos principios, pero
siempre las fases de los fluidos deben ser inmiscibles y de diferentes densidades para
que ocurra la separacin.
El presente proyecto hace nfasis en compilar y ordenar informacin tcnica
publicada vigente para el diseo y la construccin de separadores trifsicos de agua
libre, esto se hace necesario para un mejor entendimiento y aprovechamiento en razn
de que la bibliografa relacionada es vasta.
Durante esta investigacin se concibi como meta a alcanzar el desarrollo de un
texto que recopile tanto los fundamentos tericos para el diseo y seleccin de
separadores del tipo FWKO as como las tcnicas y equipos utilizados en el ensamblaje
del equipo.
4.4. IDEA A DEFENDER
Si se entiende y maneja los fundamentos de funcionamiento, diseo y construccin
de los separadores trifsicos, especialmente del tipo Free Water Knockout, estos
brindarn al personal tcnico, las habilidades y herramientas necesarias para la
operacin, mantenimiento, diseo, y supervisin de la construccin de equipos de
-
4
separacin; ayudando a prevenir bajas en la capacidad de operacin de las facilidades de
produccin.
4.5. METODOLOGA 4.5.1. MTODOS
En la elaboracin del presente trabajo se emple el Mtodo Sinttico, para el
manejo de la informacin obtenida a lo largo de la investigacin, el Mtodo Analtico
fue manejado durante la observacin de los procesos de construccin del equipo de
separacin, y manejo de los datos recopilados en el Campo Villano Alfa,
adicionalmente se emple el Mtodo Deductivo durante el estudio del diseo y
construccin del separador.
4.5.2. TCNICAS 4.5.2.1.TCNICA DE CAMPO
Para el levantamiento de la informacin necesaria para la preparacin de este
trabajo se realizaron visitas peridicas a la planta de Industrias Acero de los Andes S.A.
durante el proceso de construccin del separador, de igual manera la recopilacin de la
informacin referente al Campo Villano Alfa fue resultado de una breve estada en sus
instalaciones.
4.5.2.2.RECOPILACIN BIBLIOGRFICA
Se reuni y analiz suficiente informacin para finalmente resumirla e incluir el
material bibliogrfico de mayor importancia en el cuerpo de este estudio, a fin de
consolidar la presente investigacin en un documento de consulta y/o referencia.
-
CAPTULO II
-
6
CAPTULO II
2. 2 CAMPO VILLANO ALFA 4.1. UBICACIN
El Campo Villano Alfa est ubicado en la amazona ecuatoriana, aproximadamente
a 185 Km en direccin SSE de Quito, est rodeado de flora y fauna ambientalmente
sensible; el CPF (Central Processing Facilities) est ubicado a unos 40 Km al WNW de
Villano Alfa.
No existe un carretero de acceso a Villano, todas las operaciones de perforacin,
construccin y produccin se vienen realizando ayudadas por helicpteros, no existen
planes para la implementacin de un carretero hacia esta zona.
4.2. DATOS DEL CAMPO
Tabla 1. Referencias del Campo Villano Alfa
Temperatura Ambiente Rango de 50 95 Grados Fahrenheit
Humedad relativa, mx. 100%
Elevacin 414 msnm
Medioambiente Bosque Tropical Lluvioso
Tipo de rea elctrica Clase I Grupo D. Divisin 2
Velocidad mx. del viento 80 millas por hora
Zona ssmica 4
Elaborado por: Toms Freire C.
Fuente: AGIP Oil Ecuador
4.3. CONSIDERACIONES AMBIENTALES
Las instalaciones han sido diseadas de manera que se reduzca de la mejor manera
el impacto al medio ambiente, aplicando la normativa ecuatoriana regente y las
regulaciones de la empresa operadora.
-
7
La disposicin final del agua producida no se realiza en superficie sino que sta
recibe el tratamiento necesario para la inyeccin del agua en la zona donde va a ser
depositada definitivamente; la legislacin actual requiere que el la presencia de
hidrocarburos totales menor a 35 ppm.
Las facilidades de produccin estn diseadas para minimizar la emisin de residuos
de fluidos del proceso, agua producida y qumicos, se ha incluido un sistema de
recoleccin de fluidos producto de derrames o fugas en las lneas.
4.4. CARACTERIZACIN DEL CRUDO DEL CAMPO VILLANO
ALFA
Para el diseo de las instalaciones se cont con un completo anlisis de las
propiedades fsico qumicas del crudo proveniente del pozo nmero 8, se demostr que
las propiedades de ste eran apropiadas para el diseo de las facilidades en superficie.
Tabla 2. Propiedades fsicas del crudo Villano-8
Peso Molecular (MW) 351.24
Gravedad API 18.0
Gravedad Especfica (SG) 0.9465@60 F
Viscosidad, cP 21.1@138 psig y 215F
Viscosidad cinemtica, cSt 535.95@100F
Viscosidad cinemtica, cSt 37.91@210F
Punto de vertido, F 45
Elaborado por: Toms Freire C.
Fuente: Reporte de Laboratorios CORE
Tabla 3. Presencia de Contaminantes en el crudo Villano-8
Azufre, %peso 2.15
Asfltenos, %peso 10.85
Nquel, ppm 66.2
Vanadio, ppm 316.8
Elaborado por: Toms Freire C.
Fuente: Reporte de Laboratorios CORE
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8
Tabla 4. Composicin del crudo Villano-8
COMPONENTE MOL%
CO2 0.07
N2 0.01
C1 5.19
C2 0.30
C3 0.23
I-C4 0.07
N.C4 0.19
I-C5 0.59
N-C5 0.35
C6s 1.50
C7s 3.08
C8s 4.93
C9s 7.37
C10s 4.75
C11s 3.82
C12s 4.82
C13s 5.71
C14s 4.95
C15s 4.73
C16s 3.91
C17s 3.50
C18s 3.48
C19s 3.30
C20s 33.15
TOTAL 100.00
Elaborado por: Toms Freire C.
Fuente: Reporte de Laboratorios CORE, febrero-junio 2000
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9
4.4.1. RESULTADOS DE PRUEBAS DE DESMULSIFICACIN
La prueba de botella cargada con 2 desmulsificantes qumicos, DMO-8288 y
DMO-5050 realizada en el laboratorio arroj como resultado una efectiva separacin
del agua en alrededor de 30 minutos, pero se debe tomar en cuenta que gran parte de los
fluidos no son separados en Villano Alfa sino que son enviados hacia el CPF, como
resultado de esto, el efecto del desmulsificante es reducido significativamente debido al
paso de los fluidos del pozo a lo largo de la lnea de flujo lo que genera una re-
dispersin del agua en el petrleo y viceversa. La disminucin de la temperatura de los
fluidos en el CPF resulta en un aumento de la viscosidad que probablemente retarda la
coalescencia de las gotas de agua.
4.5. DESCRIPCIN DE LAS UNIDADES Y DEL PROCESO
4.5.1. SISTEMA DE POZOS PRODUCTORES
Estos pozos producen mediante el mtodo de levantamiento artificial ESP
(Electro Submersible Pump) provedo por CENTRLIFT; la energa elctrica necesaria
para las instalaciones de Villano Alfa es generada en el CPF.
Las bombas ESP estn diseadas para descargar los fluidos del pozo en
superficie con una presin de cabeza de alrededor de 325 a 360 psig, sta presin esta
sobre la presin de burbuja, por ende los gases se mantienen en solucin. En la Fig. 1 se
puede observar la disposicin lineal en que se presentan estos pozos, para el
mantenimiento de stos la estacin cuenta con un taladro para reacondicionamiento.
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Figura 1. Pozos Productores del Campo Villano A
Elaborado por: Toms Freire C.
Fuente: AGIP Oil Ecuador
Los pozos del Campo Villano Alfa producen de la formacin Holln, manejan un
BS&W de alrededor de 88.5%. Al momento del estudio (septiembre, 2009) el Campo
Villano Alfa opera 11 pozos que manejan los siguientes volmenes de fluido:
Tabla 5. Volumen de fluidos producidos en el Campo Villano Alfa
POZO BFPD*
Villano 4 29,180
Villano 5 15,000
Villano 7 8,600
Villano 3 3,500
Villano 8 8,800
Villano 6 21,700
Villano 13 19,300
Villano 17 14,000
Villano 10 9,750
Villano 15 25,000
Villano 16 21,900
TOTAL 176,730 *Valores Promedio
Elaborado por: Toms Freire C.
Fuente: AGIP Oil Ecuador
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4.5.2. SISTEMA DE POZOS INYECTORES
Son pozos que han dejado de ser econmicamente productivos cuya funcin
fundamental es inyectar el agua producida hacia su disposicin final en este caso hacia
la misma formacin de la que fueron producidos conjuntamente con el petrleo, el agua
es tratada con el fin de que cumpla con los parmetros establecidos para su inyeccin,
estos son que exista una concentracin menor a 35 ppm de hidrocarburos totales, stos
parmetros estn regulados por el Reglamento Ambiental Para Operaciones
Hidrocarburferas en el Ecuador (RAOHE), decreto 1215, manejado por la Direccin
Nacional de Proteccin Ambiental Hidrocarburfera.
Villano Alfa cuenta actualmente con dos pozos inyectores (Fig. 2), uno de alta
presin I-9 manejando un volumen de agua de alrededor de 35200 BPD a una presin
de 3522 psig, y un segundo pozo I-12, que inyecta en promedio 32800 BPD.
Figura 2. Pozos Inyectores
Elaborado por: Toms Freire C.
Fuente: AGIP
4.5.3. DISTRIBUIDOR DE PRODUCCIN (PRODUCTION MANIFOLD)
El manifold de produccin est diseado para recibir actualmente las lneas de
flujo de 11 pozos del Campo Vilano A, desde este equipo el flujo se distribuye hacia la
batera se separacin, donde se inyectarn qumicos desmulsificantes para acelerar la
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separacin, el manifold cuenta adems con una lnea de 2 con el siguiente equipo de
instrumentacin un FE (Elemento de Flujo), PIT (Indicadores Transmisores de Presin),
TIT (Transmisores Indicadores de Temperatura), PSHH (Interruptor de Presin Alta),
PSLL (Interruptor de Presin Baja)
4.5.4. EQUIPO DE SEPARACIN FREE WATER KNOCK OUT
La batera de separacin est constituida actualmente por dos equipos de
separacin trifsica tipo Free Water Knockout, denominados como FWKO A y FWKO
B, estos equipos tienen la particularidad de ser equipos hbridos; es decir cuentan con un
sistema de separacin por coalescencia electrosttica y un sistema KO Drum, pero
actualmente nicamente funcionan como separadores de agua libre, el flujo de gas
separado en estos equipos es mnimo, y direccionada hacia un Flare KO Drum donde es
secado para luego ser enviado hacia los tanques de almacenamiento con el fin de
mantener la presin interna y proporcionar una atmosfera no explosiva, manteniendo
bajos los niveles de oxgeno en los tanques.
Figura 3. Batera de separacin Campo Villano A
Elaborado por: Toms Freire C.
Fuente: AGIP Oil Ecuador
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13
Existe un flujo preferencial por ubicacin hacia el FWKO A, los parmetros de
diseo con los que fueron construidas incluyen los siguientes elementos; una seccin
para coalescencia, celdas electrostticas, sistema de proteccin catdica, sistema para
romper vrtices, colector de petrleo, trampa KO.
4.5.4.1.CARACTERSTICAS DE LOS SEPARADORES
Los separadores Free Water Knockout de la Estacin Villano Alfa estn
diseados para manejar 22,500 BPD de petrleo seco y 40,000 BPD de agua de
formacin, constan de dos secciones:
Primera seccin: Free Water Knockout
Segunda seccin: Deshidratador Electrosttico
La seccin de Deshidratacin Electrosttica se encuentra fuera de
funcionamiento, por lo que nicamente brinda espacio para el almacenamiento y tiempo
de residencia para la separacin del petrleo y el agua.
4.5.4.2.CONDICIONES DE DISEO DE LOS SEPARADORES
A continuacin se presentan las condicionales para las que originalmente fueron
diseados los dos equipos de separacin instalados en el Campo Villano Alfa.
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Tabla 6. Condiciones de diseo de los separadores
Tasa de petrleo 22,500 BPD
Gravedad API del petrleo 20.4
Punto de vertido 45 F
Tasa de agua 40,000 BPD
Gravedad Especfica del agua 1
Sulfito de Hidrogeno 9 a 65 ppm
Presencia de parafina NO
Formacin de espuma NO
Presin de operacin 250 275 psig
Temperatura de entrada 205 F
Presin de diseo 300 psig
Temperatura de operacin estimada 205 F
BS&W deseado
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Tabla 7. Parmetros de operacin de la Batera de Separacin
FWKO A
Presin de
operacin 204.3 psig
Temperatura de
operacin 208 F
Taza de Flujo 42,100 BWPD
FWKO B
Presin de
operacin 197 psig
Temperatura de
operacin 205 F
Taza de Flujo 42,000 BWPD
Elaborado por: Toms Freire C.
Fuente: AGIP Oil Ecuador
Actualmente los separadores estn trabajando sobre diseo; el FWKO A trabaja
al 104 % y el FWKO B al 102 %, razones por las cuales se hace imperativa la inclusin
de un separador adicional en las instalaciones de Villana Alfa.
Tabla 8. Dimensiones de los Separadores
Dimetro interno 3,000 mm
Longitud total 19,800 mm
Cabezas Elipsoidales
Capacidad nominal 882 Barriles
Elaborado por: Toms Freire C.
Fuente: AGIP Oil Ecuador
4.5.5. SISTEMA DE TANQUES DE ALMACENAMIENTO
Villano Alfa cuenta con un sistema de tanques construidos para operar a
presiones de 0,5 psi sobre la presin atmosfrica, siendo sta medida en la parte superior
del tanque.
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Figura 4. Tanques de Almacenamiento Villano Alfa
Elaborado por: Toms Freire C.
Fuente: AGIP Oil Ecuador
Tabla 9. Caractersticas de los Tanques de Villano Alfa
Tanque de
almacenamiento de
petrleo
Capacidad nominal 10,000 bbl
Presin de diseo 0.126 psi
Presin interna de
diseo 3.5525 inch WC
Temperatura de
diseo 200 F
Temperatura de
operacin 174.2 F
Tanques de desnatado
A y B
Capacidad nominal 5,000 bbl
Presin de diseo 2 / -0.57 Oz
Presin interna de
diseo 3.5525 WC
Gravedad especifica 1 @ 200 F
Temperatura de
operacin 174.2 F
Elaborado por: Toms Freire C.
Fuente: AGIP Oil Ecuador
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Todos los tanques estn conectados a tierra, o bien aterrizados por medio de
varios cables especiales a una celda de varillas de cobre, para evitar que la gran masa de
hierro y acero de la que estn construidos atraigan las descargas elctricas producidas
por tormentas elctricas. Cuentan adems con sistemas de venteo normal y de
emergencia, vlvulas de presin y vaco, dispositivos arresta llamas, transmisores y
medidores de nivel presin y temperatura. Presentan adems proteccin ante la
corrosin, utilizando recubrimiento epxico en el interior y exterior de los tanques, se
utiliza pintura asfltica de cuerpo grueso, para el exterior se emplea una capa adicional
de acabado con blanco de plomo o zinc.
4.5.6. HIDROCICLONES
Son equipos diseados para separar la fase slida de los fluidos, la mezcla
desciende rotando a travs del hidrocicln. Por efecto de la fuerza centrfuga, la fase
slida es lanzada a las paredes exteriores del hidrocicln. El rendimiento del equipo
depende fundamentalmente del tamao de las partculas slidas.
Figura 5. Hidrociclones
Elaborado por: Toms Freire C.
Fuente: AGIP Oil Ecuador
La estacin Villano Alfa cuenta con cuatro Hidrociclones (Figura 5), dispuestos
dos aguas abajo de cada FWKO, pero debido a que actualmente se trabaja sobre la
capacidad de los FWKO, se han removido los internos de los hidrociclones, y no
cumplen funcin alguna.
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4.5.7. SISTEMA DE BOMBAS
Una bomba es una turbo maquina generadora para lquidos. La bomba se usa
para transformar la energa mecnica en hidrulica. El sistema de bombas en la estacin
Villano Alfa es integrado por los siguientes elementos:
4.5.7.1.BOMBAS CENTRFUGAS
Los pozos en el campo Villano Alfa estn provistos de un sistema de
levantamiento artificial por bombeo electrosumergible, provisto por CENTRILIFT.
Estas son bombas multietapas; cada etapa constituida por un impulsor y un difusor, este
tipo de bomba permite manejar un amplio rango de tasas de flujo incluso mayores a
100,000 BPD. Estn automatizadas para su control y supervisin, el principal
fenmeno fsico de transferencia de energa es el efecto centrfugo ejercido sobre el
fluido. Por otra parte, el efecto de la forma de la carcasa sobre el fluido es la
transformacin de energa (de cabeza de velocidad a cabeza de presin).
4.5.7.2.BOMBAS DE LA LNEA DE FLUJO A/B/C/D
Son bombas horizontales tipo tornillo provistas de una cmara de empuje que
interiormente esta provista de un sello de crudo y un sello de aceite, son las encargadas
de bombear los fluidos hacia el CPF, proporcionan una presin en el oleoducto de 1620
psig y maneja un volumen de fluido de alrededor de 89150 BFD.
Tabla 10. Caractersticas de las Bombas de la Lnea de Flujo
Presin de descarga 1,920 psi
Capacidad de bombeo 20,000 BFPD
Motor 800/400 HP 1800/900 RPM
Tipo Horizontal de tornillo Elaborado por: Toms Freire C.
Fuente: AGIP Oil Ecuador
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Figura 6. Bombas de la Lnea de Flujo
Elaborado por: Toms Freire C.
Fuente: AGIP Oil Ecuador
4.5.8. BOMBAS DE TRANSFERENCIA A/B
La estacin cuenta con dos bombas de desplazamiento positivo, accionadas por
motores elctricos. La funcin especfica de stas bombas es transferir crudo desde el
tanque de almacenamiento en direccin hacia la succin de las bombas de la lnea de
flujo A/B/C/D, manteniendo as un nivel bajo de crudo con un stock estimado de 1500
barriles. Estn provistas de accesorios como PI (Indicador de Presin), RO (Orificio de
Restriccin, Placa Orificio), PDI (Indicador de Diferencial de Presin).
Tabla 11. Caractersticas de las Bombas de Transferencia
Capacidad 200 GPM
Motor 200 HP
Presin de descarga 300 a 600 psi
Elaborado por: Toms Freire C.
Fuente: AGIP Oil Ecuador
4.5.9. WATER INJECTION PUMPS A/B/C/D:
Son bombas centrifugas accionadas por un motor elctrico, estn provistas de
dos sellos, en el lado coupling1 y en le lado de la bomba. Son de vital importancia en la
1Acoplamiento, matrimonio motor-bomba
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Estacin Villano Alfa puesto que su funcin es la de proporcionar presin y caudal
hacia los pozos inyectores I-12 e I-9 (Figura 2), que manejan un volumen de alrededor
de 65,700 BWPD inyectados hacia la formacin Holln; lugar de donde los fluidos
fueron producidos.
Actualmente la estacin maneja cuatro bombas, se espera poner en
funcionamiento una quinta bomba, esto por cuanto Villano Alfa cuenta con la
autorizacin pertinente para utilizar al pozo V-14 como pozo inyector, esto solventar
las necesidades de manejo de agua de formacin para el desarrollo de los campos
Villano A y B.
Figura 7. Bomba para Inyeccin de Agua WIP
Elaborado por: Toms Freire C.
Fuente: AGIP Oil Ecuador
Tabla 12. Caractersticas de las bombas de inyeccin de agua
Velocidad 2,890 a 3590 RPM
Tipo Centrfuga
Caudal 20,749 BWPD
Presin de descarga 3,040 psi
Presin de succin 150 psi
Diferencial de cabeza 6820 Ft
Elaborado por: Toms Freire C.
Fuente: AGIP Oil Ecuador
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4.5.10. OIL BOOSTER PUMPS A/B/C
Son bombas centrfugas verticales cuya funcin fundamental es la de
proporcionar la presin de succin requerida para un ptimo funcionamiento de las
bombas de la lnea de flujo con direccin al CPF, la estacin Villano Alfa cuenta con
tres bombas Booster dispuestas en un mismo patn, generalmente la estacin mantiene
en funcionamiento nicamente a dos y la tercera entra en funcionamiento durante tareas
de mantenimiento y reparacin.
Figura 8. Bombas Booster A/B/C
Elaborado por: Toms Freire C.
Fuente: AGIP Oil Ecuador
Tabla 13. Caractersticas de las Bombas Booster para Petrleo A/B/C
Capacidad de bombeo 205 m3/h
Capacidad mnima 34.3 m3/h
Presin de succin 300 psi
Diferencial de presin 289 m @capacidad de
bombeo
Temperatura de diseo 220 F
Densidad 877 Kg/m3 @Temp. de bombeo
Viscosidad 15 cP @Temp. de bombeo
Presin de vapor 237 psi @Temp. de bombeo
Elaborado por: Toms Freire C.
Fuente: AGIP Oil Ecuador
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4.5.11. WATER BOOSTER PUMPS A/B/C/D
Villano Alfa cuenta con cuatro bombas Booster para proporcionar la presin de
succin suficiente para la admisin de las bombas WIP (Figura 7) que manejan
presiones de succin de alrededor de 230 psig.
Tabla 14. Caractersticas de las Bombas Booster para Agua A/B/C/D
Velocidad 3600 RPM
Tipo centrfuga
Caudal 30,144 BPD
Presin de descarga 150 psi
Presin de succin 10 psi
Elaborado por: Toms Freire C.
Fuente: AGIP Oil Ecuador
4.5.12. UNIDAD SAMPLER O TOMA MUESTRAS
Esta unidad tiene como finalidad permitir la extraccin de muestras desde los
separadores, a travs de un sistema de tuberas que permite acceder a diferentes niveles
de los fluidos al interior del equipo, para poder caracterizarlos durante el proceso, y as
evaluar el proceso de separacin de las distintas fases. Est ubicado entre los equipos de
separacin de agua libre, cuenta con un sistema de intercambio de calor para reducir la
temperatura de la muestra.
Figura 9. Sampler
Elaborado por: Toms Freire C.
Fuente: AGIP Oil Ecuador
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4.5.13. SISTEMA DE INYECCIN DE QUMICOS
Este sistema mantiene la inyeccin continua o alternada de qumicos hacia los
Free Water Knockout A y B, a la lnea de flujo, a los pozos inyectores y hacia el
Manifold de produccin, en la tabla siguiente se presenta la configuracin de este
sistema.
Tabla 15. Sistema de Inyeccin de Qumicos
Bomba Unidad Tipo de Qumico
A Lnea de flujo Desmulsificante
B FWKO A Desmulsificante
C FWKO B Desmulsificante
D Pozos Productores Inhibidor de corrosin
E Manifold de produccin Biocida
F Manifold de produccin Antiescala
G Bomba de respaldo
Elaborado por: Toms Freire C.
Fuente: AGIP Oil Ecuador
Figura 10. Sistema de Inyeccin de Qumicos
Elaborado por: Toms Freire C.
Fuente: AGIP Oil Ecuador
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4.6. FACILIDADES CENTRALES DE PRODUCCIN (CPF)
El objetivo fundamental que cumplen estas facilidades de produccin, es el de tratar
los fluidos provenientes del campo Villano Alfa, ubicado en el sector Triunfo Nuevo al
Noroccidente del Bloque 10; el tratamiento que en estas facilidades se realiza consiste
principalmente en la deshidratacin del crudo con el fin de obtener un petrleo crudo
con un porcentaje igual o menor al 0,5% de BS&W; para luego ser bombeado hacia
Sarayacu, y finalmente entregado en el Terminal de Baeza, por medio de una lnea
secundaria de 137 Km.
Otro objetivo que cumplen estas facilidades, es el de manejar un gran volumen de
agua producida en asociacin con el crudo, y que una vez separada del crudo y del gas
debe ser tratada hasta su disposicin final, para ello el CPF, cuenta con el equipo
necesario para la inyeccin de este fluido hacia la formacin Tiyuyacu, el volumen de
agua promedio manejado por estas instalaciones es de 80,000 BWPD.
Cuenta adems con una planta de generacin elctrica, dispone de una potencia
instalada de 26.6 MW suministrada por 5 grupos motor-generador de marca Warsila-
Vasa, adicionalmente cuenta con dos grupos motor-generador marca Caterpillar de 1.63
MW cada uno, que entran en funcionamiento cuando una unidad Warsila est en
mantenimiento o reparacin.
Figura 11. Layout general del CPF
Elaborado por: Toms Freire C.
Fuente: AGIP Oil Ecuador
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4.7. DESCRIPCIN DEL PROBLEMA
Luego de analizar las variables del proceso de los fluidos en el Campo Villano Alfa
y describir los equipos y sistemas que intervienen en los mismos, surge la necesidad de
incluir un separador de agua libre adicional a los existentes, a continuacin se presentan
aspectos determinantes para esta conclusin:
El FWKO A actualmente se encuentra trabajando al 104% de la capacidad
operacin de la seccin de separacin mecnica, la seccin de separacin
electrosttica ha sido deshabilitada y modificada para funcionar como un espacio
de residencia adicional para la separacin mecnica de los fluidos, esta seccin
est trabajando al 102 % de su capacidad de operacin.
El FWKO B ha sido modificado de la misma forma que el FWKO A, al momento
la seccin de separacin mecnica trabaja al 98% de su capacidad y la seccin
modificada maneja el 102% del volumen para el que fue diseado.
Los internos de los Hidrociclones A y B fueron removidos, para permitir un libre
trnsito del agua de formacin despojada del crudo, as se permite un manejo
ms dinmico de los fluidos dentro del separador, pero la funcin de remocin
de slidos suspendidos en el agua ha sido cancelada.
Adicionalmente a lo antes presentado, se ha planificado la expansin de la
produccin de campo para lo cual se perforarn dos nuevos pozos. Para la disposicin
final del agua asociada producida se transformar en Pozo Inyector al pozo Villano 14 y
se adicionar una quinta bomba de inyeccin de agua (WIP E).
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CAPTULO III
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3. CAPTULO III
4. 3. SEPARACIN DE FASES
3.1 CONSIDERACIONES BSICAS 4.1.1. PRINCIPIOS DE LA SEPARACIN FSICA
Para el diseo y construccin de separadores se hace necesario tomar en cuenta
los estados en que pueden encontrarse los fluidos y fundamentalmente el efecto que
puedan tener los principios fsicos. Los principios considerandos para realizar la
separacin fsica de vapor, lquidos o slidos son: el momentum o cantidad de
movimiento, la fuerza de gravedad y la coalescencia. Toda separacin puede usar uno o
ms de estos principios. Pero siempre las fases a separarse deben ser inmiscibles2 y de
diferentes densidades.
4.1.2. MOMENTUM (CANTIDAD DE MOVIMIENTO)
Este principio fsico demuestra que fluidos con diferentes densidades tienen
diferentes momentum; as tenemos que si una corriente de dos fases se cambia
bruscamente de direccin, el fuerte momentum o la gran velocidad adquirida por las
fases, no permite que las partculas de la fase pesada se muevan tan rpidamente como
las de la fase liviana, este fenmeno provoca la separacin de fases.
Este mecanismo se logra utilizando una entrada tangencial o un deflector3 a la
entrada del separador, para fines prcticos se puede decir que el tamao mnimo de
gotas que pueden ser separadas por este principio va de 5 a 10 micrones, sta medida
puede ser calculada por medio de la ecuacin de Stokes, reemplazando la fuerza de
gravedad por la Fuerza centrfuga.
4.1.3. FUERZA DE GRAVEDAD
La fuerza gravitacional que acta sobre las gotas de lquido suspendidas en la fase
gaseosa es mayor que la fuerza de arrastre del fluido de gas sobre la gota de lquido. 2 Condicin en la que 2 fluidos no se disuelven entre s, formando un sistema bifsico. 3 Placa ubicada luego de la boca de entrada del fluido a fin de cambiar su direccin.
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Estas fuerzas definen la velocidad terminal, la cual matemticamente se presenta usando
la ecuacin siguiente:
Ecuacin 1. Velocidad terminal
Fuente: Arnold, Ken, Liquid-Liquid and Gas-Liquid Separators
Elaborado por: Toms Freire C.
Donde:
Vt = Velocidad terminal de la gota de liquido
g = Aceleracin de la gravedad
dg = Dimetro de la gota
g = Densidad del gas
l = Densidad del lquido
C = Coeficiente de arrastre que depende del Nmero de Reynolds
Para el caso de decantacin de una fase pesada lquida discontinua en una fase
liviana lquida continua, aplica la ley de Stokes:
Ecuacin 2. Ley de Stokes
Fuente: Arnold, Ken, Liquid-Liquid and Gas-Liquid Separators
Elaborado por: Toms Freire C.
Esta relacin aplica para nmeros de Reynolds de gota menores de 2, y puede
demostrarse que la mayora de los casos de decantacin caen en el rango de la ley de
Stokes. Bsicamente, la ley de Stokes puede usarse para la flotacin de una fase liviana
lquida discontinua en una fase pesada lquida continua, teniendo en cuenta que la
viscosidad es de la fase continua, en este caso, la fase pesada.
'3)(.4
Cdg
Vtg
glp
18)(.. 21 lggdgFVt
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Para obtener una buena velocidad de asentamiento se requiere que la viscosidad
del crudo se reduzca y el dimetro de la gota aumente, esto se puede lograr adicionando
calor a la mezcla, la densidad del petrleo no se afecta significativamente ya que est
entre valores de 0,87 y 0,95.
Una gota de lquido que cae bajo la aceleracin de la gravedad, incrementa su
velocidad hasta que la fuerza de friccin sobre la gota se equipare a la fuerza neta de
gravedad. A partir de ese momento, la gota caer con una velocidad constante conocida
como velocidad libre de sedimentacin o velocidad terminal. Esta velocidad es la
utilizada para determinar cunto tiempo requiere una determinada partcula de lquido
para caer una determinada distancia.
No es econmicamente rentable utilizar nicamente ste principio para la
remocin ya que las dimensiones de los separadores serian excesivas para separar gotas
de 40 a 50 micrones. Partculas de 100 a 200 micrones son consideradas como
limitantes para considerar la separacin por efecto de la fuerza de gravedad nicamente.
4.1.4. COALESCENCIA
Las gotas muy pequeas no pueden ser separadas por gravedad, estas gotas se unen,
por medio del fenmeno de coalescencia, para formar gotas de mayor volumen, las
cuales se acercan lo suficiente para superar las tensiones superficiales individuales, y ser
capaces de separarse por gravedad.
4.2. FUNDAMENTOS DE LA SEPARACIN AGUA-PETRLEO 4.2.1. FORMACIN DE EMULSIONES
Una emulsin constituye una dispersin de gotas de agua en el aceite, que se
vuelven estables por la accin de sustancias naturales o artificiales presentes en el
crudo. Los dimetros de las gotas varan desde una a centenas de micras, aunque la
mayora presentan un dimetro medio de 10 micras. En la Figura 12 se presenta la
distribucin de la fase dispersa (agua) en la fase continua (petrleo), a esto en la
industria petrolera se conoce como una emulsin normal.
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Figura 12. Microfotografa de una emulsin agua en petrleo
Fuente: Universidad de los Andes, Venezuela
Elaborado por: Toms Freire C.
Para la formacin de una emulsin, adems del agua y el aceite se necesita de
agitacin y la presencia de un agente emulsificante para estabilizar la mezcla, estos son
conocidos como surfactantes, y su funcin es reducir la tensin superficial entre las
fases, dando lugar a la emulsificacin. Entre los surfactantes naturales del crudo
tenemos: asfltenos, resina, sales metlicas, sedimentos, arcillas, productos de corrosin
y slidos. La figura 13 se representa grficamente la estabilizacin de una gota de agua
por agentes emulsionantes presentes en el crudo.
Figura 13. Estabilizacin de la emulsin
Fuente: Universidad de los Andes, Venezuela
Elaborado por: Toms Freire C.
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La fase acuosa dispersa se refiere generalmente como agua y sedimento (A&S) y
la fase continua es petrleo crudo. El A&S es principalmente agua salina; sin embargo,
slidos tales como arena, lodos, carbonatos, productos de corrosin y slidos
precipitados o disueltos se encuentran tambin presentes, por lo que A&S tambin es
llamada Agua y Sedimento Bsico (BS&W).
El grado de estabilidad de las emulsiones est relacionado con la razn de pelcula
(volumen de surfactante/volumen de la fase dispersa) y la viscosidad del crudo, siendo
esta ltima la que influye en dos formas:
Aumentando el tiempo de floculacin de las gotas dispersas
Mayores fracciones de asfltenos y resinas polares se encuentran presentes en
crudos de alta viscosidad y densidad
Los crudos de alta viscosidad permiten mantener gotas de suspensin, oponindose
a una menor resistencia al asentamiento.
4.2.2. PRUEBA DE BOTELLA
Las pruebas de botella ayudan a determinar el tipo de qumico que es ms efectivo
para romper la emulsin de campo. Los resultados de esta prueba indican la menor
cantidad de qumico desmulsificante necesario para separar la mayor cantidad de agua
de la emulsin W/O. Para el xito de esta prueba se requiere seleccionar una muestra
representativa de la corriente de produccin de la emulsin, la cual debe reunir las
siguientes caractersticas:
Ser representativa de la emulsin a ser tratada.
Contener cantidades representativas de los qumicos presentes en el sistema,
tales como inhibidores de corrosin y parafinas.
Debe ser fresca para evitar la estabilizacin por envejecimiento de la emulsin.
Simular las mismas condiciones de agitacin y temperatura tanto como sea
posible.
La prueba consiste bsicamente en preparar una serie de botellas graduadas y aadir
100 ml de la emulsin agua en crudo fresca o preparada en laboratorio, se dosifican
diferentes concentraciones del producto deshidratante a cada botella dejando una botella
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sin deshidratante (botella patrn), se homogeniza la mezcla y se colocan las botellas en
un bao termosttico a la temperatura deseada. Cada 30 minutos se lee el volumen de
agua coalescida y se observa la calidad de la interface, del agua separada y de las
paredes del tubo. Con estos datos se construye la grfica de porcentaje de agua separada
en funcin del tiempo, as como la grfica de estabilidad, que permite conocer el tiempo
necesario para separar 2/3 del volumen de fase acuosa. Tales grficas permiten
determinar la eficiencia del deshidratante.
Figura 14. Procedimiento de la Prueba de Botella
Fuente: Universidad de los Andes, Venezuela
Elaborado por: Toms Freire C.
4.2.3. DESMULSIFICACIN
La desmulsificacin; separacin de petrleo-agua se produce en dos etapas:
Floculacin, las gotas de la fase dispersa forman agregados, sin perder
completamente su identidad.
Coalescencia, los agregados se combinan formando gotas individuales.
La separacin se puede producirse por intercambio de calor, que ayuda reduciendo
la viscosidad de la fase continua y disminuyendo la tensin interfacial, asimismo la
adicin de productos qumicos desmulsificantes; cada caso de emulsin requiere un
producto especfico, ya que la emulsin se puede llevar a cabo de diferentes formas.
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Otro mecanismo que ayuda en la separacin de fases lquidas es el asentamiento
temporal (asentamiento por gravedad) y tratamiento elctrico, el campo electroesttico
producido en el interior del recipiente, cambia la polaridad de las molculas de la
interface, modificando el estado de fuerzas y reduciendo la tensin interracial,
provocando que las gotas de la fase dispersa se unan.
El tratamiento qumico consiste en aplicar un producto desmulsificante sinttico
denominado en las reas operacionales de la industria petrolera como qumicos
deshidratantes, el cual debe ser inyectado tan pronto como sea posible ya sea en
superficie o en el fondo del pozo. Esto permite ms tiempo de contacto y puede prevenir
la formacin de emulsin corriente abajo. La inyeccin de desmulsificantes antes de una
bomba, asegura un adecuado contacto con el crudo y minimiza la formacin de
emulsin por la accin de la bomba.
El tratamiento mecnico se caracteriza por utilizar equipos de separacin dinmica
que permiten la dispersin de las fases de la emulsin y aceleran el proceso de
separacin gravitacional. Entre ellos se encuentran los tanques de sedimentacin
llamados comnmente tanques de lavado.
Para el tratamiento elctrico se utilizan equipos denominados deshidratadores
electrostticos, y consiste en aplicar un campo elctrico para acelerar el proceso de
acercamiento de las gotas de fase dispersa.
4.2.4. EFECTOS DE LA TEMPERATURA
Con el aumento de temperatura en la mezcla de agua y petrleo, se logra un
aumento del movimiento mo