BR102013027536A2 - método de recuperação e tratamento de água de formação de petróleo por processo de separação por osmose reversa - Google Patents

Abstract

método de recuperação e tratamento de água de formação de petróleo por processo de separação por osmose reversa. a presente patente de invenção revela um método para recuperar e tratar água de formação de poços de petróleo produzida durante a perfuração de poços de petróleo de forma que a água tratada atinja níveis aceitáveis para descarte e a possível reutilização fins não potáveis. o método compreende etapas de tratamento físico-químico, filtração em areia seguida do processo de osmose reversa utilizando membranas de pratos com canal radial - mpcr.

Description

"MÉTODO DE RECUPERAÇÃO E TRATAMENTO DE ÁGUA DE FORMAÇÃO ATRAVÉS DO PROCESSO DE SEPARAÇÃO POR OSMOSE REVERSA" CAMPO DE APLICAÇÃO A presente patente de invenção revela um método para recuperar e tratar água de formação de poços de petróleo produzida durante a perfuração de poços de petróleo de forma que a água tratada atinja níveis aceitáveis para descarte e a possível reutilização fins não potáveis. O método compreende etapas de tratamento físico-químico, filtração em areia seguida do processo de osmose reversa utilizando membranas de pratos com canal radial - MPCR.

FUNDAMENTO DA INVENÇÃO

Jazidas de petróleo são compostas de gás agregado, petróleo bruto e água de formação. A água de formação está naturalmente agregada ao óleo extraído de jazidas, estejam em terra (onshore) ou em alto mar (offshore). Das plataformas marítimas, o óleo extraído é transportado para descarga geralmente em portos ou em refinarias, onde passam por processo de separação da água de formação. Após a separação, a água de formação requer tratamento para ser lançada em corpos receptores, reutilizada para injeção em poços ou mesmo para outras formas de reuso.

Durante as etapas de extração (recuperação primária) em uma jazida dispensa-se a injeção de fluidos pois o próprio conteúdo da jazida proporciona pressão para bombeamento de produto. Entretanto, com a retirada do óleo e a consequente diminuição da pressão interna, pode ser necessário injetar água de formação ou mesmo de outros produtos para preenchimento doa jazida (recuperação secundária) para facilitar a saída do óleo. O produto injetado deve apresentar boa qualidade para evitar danos aos equipamentos e não contaminar o produto extraído.

Assim, o tratamento da água de formação é essencial tanto em termos legais quanto técnicos. Em termos técnicos, a presença de altos teores de óleos e graxas (TOGs) e sólidos pode comprometer o processo de injeção.

Diante do exposto, observa-se que é necessário um tratamento adequado para a água de formação, qualquer que seja seu destino.

DESCRIÇÃO DO ESTADO DA TÉCNICA A patente CN102452760 descreve um método de tratamento para reciclagem de água de formação em campo de petróleo constituído de processo de flotação, tratamento bioquímico, filtração para remoção de material suspenso e separação por processos de membrana (ultrafiltração e osmose reversa).

Por sua vez, o modelo de utilidade CN202156962 propõe um método de tratamento que combina osmose reversa com ultrafiltração para tratamento de água de formação compreendendo trocador de calor, filtro autolimpante, sistema de ultrafiltração, sistema de osmose reversa e sistema de troca iônica em sequência. A água produzida desmineralizada atinge condutividade de 5 uS/cm e concentração de Si02 inferior a 0,lmg/L. O modelo de utilidade CN201292300 relata um equipamento integrado para tratamento de água de formação compreendendo de um reator multiestágios, tanque de sedimentação inclinado,.torre de resfriamento e dispersão ciclônico, tanque de tratamento bioquímico, filtro multimeios, filtro de carbono ativado, esterilizador ultravioleta, tanque de equalização, sistema de ultrafiltração e de osmose reversa. A água produzida alcança DCO de 40-70mg/L, com quantidade de petróleo menor que 3mg/L, permitindo o reuso industrial da água.

Uma proposta relativamente tradicional é descrita no documento GB1520877, em que se descreve um processo para recuperação secundária de óleo, compreendendo uma etapa de ultrafiltração seguida de duas filtrações por osmose reversa sob pressões distintas. Um dos inconvenientes existentes nesta metodologia vem a ser justamente o tempo dispendido no processo devido à passagem do permeado pelas membranas de osmose reversa. Outro ponto a ser considerado é a saturação das membranas, o que pode agravar ainda mais o processo de filtração.

Uma evolução construtiva deste método é apresentada no documento US2005023222 no qual é revelada uma unidade de pré-tratamento contemplando uma pluralidade de membranas de micro ou ultrafiltração associadas. Neste aspecto, o fator limitante são os custos elevados devido à complexidade estrutural da construção.

Em relação ao processo de injeção, uma abordagem é descrita no documento W02006120399 compreendendo as etapas de posicionamento de uma membrana entre uma solução aquosa e a água de formação de modo a diluir a água de formação, injeção da água de formação diluída para a jazida, a recuperação da água de formação e reutilização da mesma na etapa de injeção inicial.

OBJETIVO DA INVENÇÃO A presente patente de invenção revela um sistema de recuperação secundária de água de formação presente no petróleo que compreende as sequência de etapas de físico químico (controle de pH, temperatura e precipitação de metais), filtração em areia, osmose reversa através da utilização de membranas de pratos com canal radial. Um aspecto vantajoso vem a ser a viabilização da recuperação do efluente dentro dos parâmetros legais de descarte, sem prejuízo de performance.

DESCRIÇÃO DETALHADA

De acordo com um modo preferencial da presente invenção, o sistema de tratamento ora reivindicado trata uma corrente de água de formação separada do petróleo descarregado em tanques de entrada de água de formação bruta em portos ou refinarias. Grosso modo, o tratamento consiste das etapas de: tratamento físico-químico, filtração e separação por osmose reversa. A Figura 1 apresenta o fluxograma detalhado do processo cujas operações são descritas a seguir.

Inicialmente, a água de formação bruta é armazenada em tanque de entrada, que alimenta o sistema de tratamento físico-químico. Nesse tratamento, é realizado o controle de pH, o controle de temperatura e a precipitação de metais. A água de formação tratada segue para um tanque de clarificação, enquanto os rejeitos para um tanque de rejeitos. O tratamento físico químico consiste de processos como, por exemplo, peneiração, decantação e floculação. Esse processo visa remover sólidos, alguns íons e reduzir demanda química e bioquímica de oxigênio (DQO e DBO) , bem como acerto de pH da água a ser tratada.

Do tanque de clarificação, a água passa por um sistema de filtros de areia até alcançar o tanque de filtrado. O sistema de filtros é responsável pela redução da turbidez e clareamento da água bruta, bem como remoção de material orgânico. 0 fluxo de água .bruta pode ser ascendente ou descendente dentro do filtro de areia. Novamente, os rejeito dos filtros são direcionados para o mesmo tanque de rejeitos. Parte da água filtrada é recirculada nos filtros de areia. O tanque de filtrado alimenta a unidade de osmose reversa, que pode trabalhar em diferentes configurações de acordo com o módulo específico escolhido, ou seja, espiral e placa, preferencialmente utilizando membranas de pratos com canal radial.

Na unidade de osmose reversa, a corrente de água a ser tratada (entrada) é denominada concentrado, enquanto na saída, a água tratada é o permeado e a não tratada é concentrado. Em qualquer sistema de separação por membranas, o fluxo de solução permeada reduz com o tempo de uso em razão do entupimento dos poros e formação de filme na superfície das membranas. Com isso, é necessário elevar a pressão de operação a fim de manter o fluxo transmembrânico.

Na saída da osmose reversa, o permeado terá menor quantidade de sais que o concentrado. Assim, o permeado é retirado do sistema e direcionado para outras aplicações ou despejado em emissário marinho. Já o concentrado, com elevadas quantidade de sais dissolvidos, passa por um evaporador que retira parte da água e, finalmente, é armazenado em um tanque de concentrado.

Quando o fluxo transmembrânico ficar abaixo de 50 1/h, a unidade de osmose reversa é lavada, sendo que a corrente de salda da água de limpeza é direcionada para o tanque de rejeitos.

Ao final, a corrente de água concentrada, onde o material removido é concentrado, passa por um processo de evaporação, que seca seu conteúdo liberando uma parte de água em forma de vapor de água e outra parte é concentrada em material para descarte.

Paralelamente ao sistema secundário de tratamento de água de formação, há um tanque de rejeitos, que acumula os resíduos de limpeza dos tratamentos físico-químico, filtração por areia e osmose reversa. Esse liquido é tratado com um filtro prensa que separa a parte sólida do liquido. Os sólidos são resíduos do processo. 0 líquido é reinjetado no sistema pelo tanque de alimentação.

Sendo assim, a água de formação bruta é separada em três produtos: água tratada, concentrado líquido e resíduos sólidos.

EXEMPLO DE OPERAÇÃO DO SISTEMA O pH da água bruta é ajustado para 10 com hidróxido de sódio e hipoclorito de sódio para oxidação completa do Fe dissolvido. A vazão de água é bombeada para o tanque de filtração de areia em uma velocidade de 10 m/h. A unidade de decantação e o filtro de areia funcionarão como um pré-tratamento para a. unidade de osmose reversa. Todos os produtos químicos são dosados e a mistura é feita por um misturador automático. Cada lote tratado após passagem através do filtro de areia será armazenado no tanque de entrada da unidade de osmose reversa, isto é, o tanque de água filtrada.

Para que a unidade de osmose reversa funcione com a vazão de permeado constante de 50 1/h, é necssário regular a pressão transmembrânica de trabalho até o limite de 110 bar, momento em que a operação é finalizada e se inicia a limpeza.

Durante o ensaio, a unidade de osmose reversa e a tubulação de água são alimentadas com amostras de água bruta, a fim de eliminar a água de lavagem remanescente na instalação. Para comprovação do efeito técnico esperado, as seguintes amostras foram coletadas para análise da linha de tratamento.

Os parâmetros avaliados (amostra de 5,0 1) estão apresentados na Tabela 1.

Tabela 1 Dados do Efluente bruto A tabela 2 indica os parâmetros dados dos efluentes brutos tratados através dos ensaios realizados e a amostra retirada para a realização dos ensaios realizados para confirmar a eficiência do tratamento.

Tabela 2 O tratamento fίsico-químico apresenta velocidade de decantação superior a 1 m/h. Sobre a superfície da água clarificada são detectadas algumas partículas flutuantes, que são removidas pelo filtro de areia. Os valores de condutividade, temperatura e pH foram medidos no local enquanto as demais análises foram realizadas em amostras tomadas ao término de cada operação unitária. A pressão de operação, que varia entre 80 e 112 bar, é constantemente ajustada para atingir uma taxa de fluxo constante de permeado de 50 1 / h.

Um sistema de arrefecimento foi instalado para manter a temperatura abaixo de 35°C. No primeiro ensaio, a temperatura da. água de alimentação variou entre 15,4°C e 33,4°C. No segundo, variou entre 22,5°C e 32,6°C.

No primeiro ensaio, as amostras forma colhidas quando se atingiu a taxa de recuperação de 40% da água de formação alimentada no concentrado. Foram coletadas amostras de concentrado e permeado para análise química (Tabela 3) . No segundo, a taxa de recuperação foi de 60% (Tabela 4) Tabela 3 Tabela 4 REMOÇÃO DE ÍONS SULFETO O íon sulfeto (S2-) existe em soluções fortemente alcalinas. Sulfetos são fortes agentes redutores, que reagem com o oxigênio do ar em temperaturas elevadas para formar ions de maior valência, tais como sulfatos e dióxido de enxofre. Porém, sulfetos existentes no efluente testado podem reagir e ter valores diferentes de análise, em função do contato com o ar. Os isotanques (tipo IBC) foram transportados completamente fechados. A tabela mostra os valores das análises de sulfeto do efluente bruto relacionado com o número de dias que o ions ficou em contato com o ar do IBC (head space) . A amostra consiste em 50% de material de superfície e 50% de água decantada.

Tabela 5 Os valores medidos durante uma primeira bateria de testes são muito mais elevadas do que o valor medido na segunda bateria de testes.

Também pode ser detectada uma relação entre o tempo de contato com o ar e a redução de sulfureto na água bruta. No momento da abertura de um dos IBC o valor de sulfeto é 47 mg / 1 e o valor é reduzido para 8 mg/1. A eficiência atingida pelo processo é normalmente superior a 57% sobre o valor de sulfito. Portanto, o tratamento proposto irá atender o limite definido de 1 mg/1 conforme a legislação vigente.

TESTE DE EVAPORAÇÃO A água concentrada pela osmose reversa passa por evaporação para definir capacidade de escala e a produção de gás e espuma. Este teste foi repetido 5 vezes para produzir amostras para as análises de laboratório (condensado). O laboratório de células de teste evaporação utilizado inclui os seguintes elementos: - corpo evaporação - dispositivo aquecedor - condensador espiral com refrigeração a água - destinatário Condensado com controle de volume - Controle de tempo A célula de teste de laboratório informa a capacidade da água bruta para produzir a espuma e os gases e sua respectiva influência sobre o processo de evaporação, a capacidade de escalonamento em diferentes graus de secagem e com a característica de escala.

Para estes testes, a alimentação de água bruta foi armazenada no recipiente de evaporação. O condensado produzido foi medido no receptor de condensado. A capacidade de dimensionamento da água é testada, sendo a água bruta evaporada até uma evaporação sobreaquecido seco. O objetivo principal do ensaio em escala piloto é estimar a qualidade que o permeado pode alcançar para, em seguida, se obter os parâmetros de trabalho a serem utilizados no sistema industrial, bem como a respectiva tipologia das colunas de evaporação a serem implementadas. A qualidade do condensado produzido é determinada através da medição dos volumes integrados armazenados durante a sessão de teste inteiro. A água utilizada para o ensaio é o concentrado de evaporação da osmose reversa. Os parâmetros básicos estão listados na tabela 6 a seguir.

Tabela 6 DESENVOLVIMENTO DO PILOTO A matéria-prima com 250 ml de água foi concentrada com evaporação superaquecida. Do ponto de secagem (> 30%) no concentrado revelou-se evaporar sob uma forma instável. A partir dai, o processo de evaporação atingiu cerca de 23% de secagem (150 ml evaporado). A evaporação é muito estável. Não há produção, de espuma. No final, o processo de evaporação atinge cerca de 30% de secagem (175 ml evaporado), quando a evaporação começa a produzir bolhas e explosões instáveis embora não há produza espuma.

Ao final da evaporação, foram retiradas amostras a partir do condensado. Um primeiro teste da escala mostraram que a escala pode ser facilmente removida da superfície do receptor. A tabela 7 resume todos os resultados analíticos relativos a água bruta de alimentação e o condensado produzido.

Tabela 7 RESULTADOS DOS TESTES DE EVAPORAÇÃO

Com esta fonte de água da célula de teste a evaporação eficientemente operada. Não havia nenhuma espuma e a produção de gás detectável na água bruta. Houve um desempenho muito bom a evaporação até 30% de secagem do concentrado. A melhora a qualidade da água tratada, é obtida com uma coluna de destilação superior na planta industrial. A secagem e condutividade foram estudadas como um indicador da qualidade geral. A partir de um valor na água bruta de 9,2% de secagem e 147.300 mS/cm de condutividade. A capacidade de escala da água bruta é baixa e fácil de eliminar, até produtos normais de escala.

Claims (3)

1. "MÉTODO DE RECUPERAÇÃO E TRATAMENTO DE ÁGUA DE FORMAÇÃO DE PETRÓLEO POR PROCESSO DE SEPARAÇÃO POR OSMOSE REVERSA" caracterizado pelo dito método compreendendo as etapas de: - tratamento fisico-quimico, consistindo de etapas para controle de pH, controle de temperatura e decantação de ions. - filtração com filtro de areia, para remoção de turbidez e cor. - separação por osmose reversa, para separação dé sais e ions dissolvidos da água filtrada. - evaporação, para remover parte da água que sai da corrente de concentrado da osmose reversa. - filtro-prensa, separar o material particulado do liquido que é armazenado no tanque de rejeitos.

2. "MÉTODO", de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo processo de osmose reversa ter membranas de pratos com canal radial - MPCR.

3. "MÉTODO", de acordo com quaisquer das reivindicações 1 ou 2, caracterizado por parte da água do tanque de filtrado ser recirculada no sistema de filtros de areia.