MX2014003691A - Desalinación electroquímica para recuperación de petróleo. - Google Patents
Desalinación electroquímica para recuperación de petróleo.Info
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Abstract
Sistemas y métodos de separación eléctricamente impulsados para el uso en la recuperación de petróleo.
Description
DESALINACION ELECTROQUIMICA PARA RECUPERACION DE PETROLEO
Campo de la invención
Los aspectos se refieren en general al tratamiento de agua que contiene contaminantes indeseables con métodos y sistemas de separación accionados eléctricamente.
Específicamente, los sistemas y métodos de uno o más aspectos se pueden usar en plataformas petroleras de alta mar para facilitar y mejorar la recuperación de petróleo o se pueden usar para producir agua potable.
Antecedentes de la Invención
En general existen yacimientos de petróleo, profundos dentro de la tierra bajo capas de tierra y roca. Una vez que se ha localizado una acumulación de petróleo, se propone una serie de pozos en un patrón predeterminado para drenar de manera efectiva el yacimiento. La cantidad total de petróleo en un yacimiento frecuentemente se refiere como la cantidad de "petróleo original en el lugar"f abreviado OOIP (por sus siglas en inglés) . La primera etapa de recuperación se refiere como la "recuperación primaria". En la recuperación primaria, la presión del yacimiento natural provoca que el petróleo fluya libremente en los pozos perforados de producción. Sin embargo, conforme pasa el tiempo y se expande completamente el agua y el gas existentes, la fuerza ejercida en el yacimiento se disipa gradualmente y disminuye la producción de petróleo y finalmente cae. En general,
las técnicas de recuperación primaria son capaces de recuperar sólo aproximadamente 10% a aproximadamente 20% del OOIP. Después de que se han agotado los métodos de recuperación primaria, se deben usar métodos mejorados de recuperación de petróleo para recuperar el OOIP adicional. Los métodos secundarios y terciarios pueden conducir a una recuperación total de hasta aproximadamente 50% del OOIP total.
La recuperación secundaria comprende f ecuentemente la inundación del yacimiento con agua para forzar el petróleo en los pozos de producción. El agua usada en la inundación de petróleo debe tener una química específica para no desestabilizar las formaciones de arcilla y volver impermeable la tierra que circunda el yacimiento. El agua también debe ser de una salinidad relativamente baja y casi libre de sulfato. La recuperación secundaria con inundación de agua puede recuperar hasta aproximadamente un 20% a un 30% adicional del OOIP.
La recuperación terciaria, también referida como recuperación mejorada, puede comprender la inundación del pozo con agua dosificada con agentes químicos. La recuperación terciaria puede dar por resultado una recuperación adicional de hasta aproximadamente 20% del OOIP. En la mayoría de los casos, se deja una cantidad sustancial de petróleo en el yacimiento, aun después del tratamiento terciario debido a que no se puede recuperar de manera económica el OOIP restante.
Los métodos mejorados de recuperación de petróleo (es
decir, métodos secundarios y terciarios) requieren una tremenda cantidad de agua. Toma tiempo inyectar suficiente agua para rellenar de manera suficiente los espacios huecos en el yacimiento para mover el OOIP. Toma varios meses desde el inicio de la inundación de agua antes de que tomen lugar incrementos significativos en la producción y una inundación promedio dura usualmente desde aproximadamente seis a aproximadamente diez años .
Breve Descripción de la Invención
Los aspectos se refieren en general a la desalinación de agua por métodos y sistemas de separación eléctricamente accionados .
De acuerdo con uno o más aspectos, se proporciona un método para la recuperación mejorada de petróleo, igual comprende introducir agua de mar a un sistema de separación eléctricamente accionado, tratar el agua de mar con el sistema de separación eléctricamente accionado para producir agua tratada que incluye menos de aproximadamente 200 mg/1 de sulfato, e inundar al menos una porción de un yacimiento de petróleo con el agua tratada.
De acuerdo con uno o más aspectos, se proporciona un sistema de recuperación secundaria de petróleo que comprende un yacimiento de petróleo, una fuente de agua de mar, y un subsistema de separación eléctricamente accionado que tiene una entrada conectada para fluidos a la fuente de agua de mar y una
salida conectada para fluidos al yacimiento de petróleo, el subsistema de separación eléctricamente accionado construido y arreglado para producir agua que tiene menos de aproximadamente 200 mg/1 de sulfato.
Aun otros aspectos, modalidades y ventajas de estos aspectos y modalidades de ejemplo, se analizan en detalle más adelante. Las modalidades descritas en la presente se pueden combinar con otras modalidades de cualquier manera consistente con al menos uno de los principios descritos en la presente, y las referencias a "una modalidad", "algunas modalidades", "una modalidad alternativa, "varias modalidades", "una modalidad" o similares no son necesariamente mutuamente exclusiva y se proponen que indiquen que una característica, estructura, o rasgo particular, descrito, se pueda incluir en al menos una modalidad. Las apariciones de estos términos en la presente no son necesariamente todas con referencia a la misma modalidad.
Breve Descripción de las Figuras
Se analizan en lo sucesivo varios aspectos de al menos una modalidad con referencia a las figuras anexas, que no se propone que estén trazadas a escala. Las figuras se incluyen para proporcionar ilustración y un entendimiento adicionales de los varios aspectos y modalidades, y se incorporan en y constituyen una parte de esta especificación, pero no se proponen como una definición de los límites de la invención. Donde las
características técnicas en las figuras, descripción detallada o cualquier reivindicación se sigan por signos de referencias, los signos de referencia se han incluido para el único propósito de incrementar la comprensibilidad de las figuras y descripción. En las figuras, cada componente idéntico o casi idéntico que se ilustra en las varias figuras se representa por un número similar. Para propósitos de claridad, no todos los componentes se pueden marcar en cada figura. En las figuras:
La Figura 1 presenta un diagrama de proceso de un sistema de recuperación mejorada de petróleo que comprende un subsistema de separación eléctricamente accionado de acuerdo con una o más modalidades;
La Figura 2 presenta un diagrama de proceso esquemático de un sistema de recuperación mejorado de petróleo que comprende un subsistema de separación eléctricamente accionado de acuerdo con una o más modalidades;
La Figura 3 presenta una vista esquemática de un sistema de separación eléctricamente accionado, de alta temperatura de acuerdo con una o más modalidades;
La Figura 4 presenta un diagrama de proceso de un sistema tradicional de recuperación mejorada de petróleo descrito en la figura 1 anexa;
La Figura 5 presenta un diagrama de proceso de un sistema de recuperación mejorada de petróleo que comprende un subsistema de separación eléctricamente accionado analizado en
los ejemplos 2 y 3 de acuerdo con una o más modalidades;
La Figura 6 presenta datos analizados en el ejemplo 3 anexo de acuerdo con una o más modalidades;
Las Figuras 7-12 presentan datos analizados en el ejemplo 4 anexo de acuerdo con una o más modalidades; y
La Figura 13 presenta datos analizados en el ejemplo 5 anexo de acuerdo con una o más modalidades.
Descripción Detallada de la Invención
Un gran porcentaje de la producción de petróleo se presenta en plataformas hechas por el hombre localizadas varias kilómetros desde una costa. Las plataformas de petróleo en alta mar y la recuperación desde los pozos en alta mar, es crucial para la producción global de petróleo. Aunque estas plataformas tienen acceso abundante a agua para inundación, el agua se debe desaliñar primero y volver adecuada para las recuperaciones secundaria y terciaria. Los métodos tradicionales de desalinación requieren equipo grande y pesado, el tamaño y peso del cual es costoso de instalar en las plataformas. El desarrollo de plataformas de alta mar que tienen una gran área de cobertura suficiente para acomodar tanto el equipo de desalinación como el equipo de recuperación de petróleo es costoso. Un metro cuadrado de espacio en una plataforma de alta mar cuesta aproximadamente $1M (un millón de dólares), y cada kilogramo de peso que se va a soportar por la plataforma se traduce en aproximadamente $ 1,000
(dólares americanos) de capital. Adicionalmente, los métodos tradicionales de desalinación no pueden controlar la calidad del agua producida. En general, el agua producida se debe mezclar con una fuente de dureza para volverla adecuada para la inundación. Los sistemas tradicionales de desalinación de esta manera no son sólo costosos de colocar en las plataformas, sino ineficientes en cumplir con las demandas de producción de la inundación de agua. En algunos ejemplos no limitantes, la demanda de agua para la inundación puede ser de aproximadamente 75,000 a aproximadamente 150,000 barriles por día (bpd, por sus siglas en inglés), que es igual a aproximadamente 11,925 m3/d a aproximadamente 23,850 m3/d.
El agua usada para inundación con agua puede contener menos de aproximadamente 200 mg/1 de sulfato (S042~) , de manera preferente menos de aproximadamente 100 mg/1 de sulfato, y de manera más preferente menos de aproximadamente 40 mg/1 de sulfato. La remoción de sulfato es de importancia particular y única en aplicaciones de inundación con agua debido a que los pozos en los cuales se inyecta el agua de inundación tienen típicamente ambientes que promueven el crecimiento de bacterias reductoras de sulfato. Las bacterias reductoras de sulfato consumen y eliminan el sulfato y producen sulfuro de hidrógeno, H2S, como desperdicio. El sulfuro de hidrógeno produce un olor apestoso y degrada la calidad del petróleo recuperado. El petróleo que contiene altas concentraciones de azufre se conoce
como "agrio". El petróleo agrio es muy corrosivo y pueden ser letales a altas concentraciones de sulfuro de hidrógeno. El petróleo agrio de esta manera se debe tratar primero para remover el sulfuro de hidrógeno antes de que pueda transportar y usar de manera segura. El sulfato puede precipitar del agua y un exceso de iones sulfato en el agua de inundación puede promover el crecimiento de bacterias reductoras de sulfato y de esta manera incrementar la cantidad del sulfuro de hidrógeno presente en un pozo de petróleo y el petróleo recuperado. De esta manera, es importante que el agua inyectada en los pozos de petróleo tenga tampoco sulfato como sea posible.
El agua de inundación agua contiene de manera preferente cerca de 1,000 mg/1 a aproximadamente 5000 mg/1 de sólidos totales disueltos (TDS, por sus siglas en inglés) y aproximadamente 400 partes por millón (ppm, por sus siglas en inglés) de dureza (Ca2+ y Mg2+) . La relación de cationes divalentes a cationes totales también se debe controlar para evitar la desestabilización de las formaciones de arcilla en el pozo. La desestabilización de formaciones de arcilla puede provocar que la tierra del pozo llegue a ser impermeable al agua de inundación, lo que tiene un impacto adverso en eficiencia de la inundación y reduce la producción de OOIP. Para lograr la recuperación máxima de una inundación, la relación de dureza en el agua de inundación se puede alterar para acomodar las condiciones geológicas únicas de cada sitio de producción.
La inundación tradicional con agua empleada por las plataformas de alta mar comprende en general la desalinación de agua de mar por osmosis inversa. En general las membranas de osmosis inversa son divalentes, selectivas y pueden remover un porcentaje demasiado grande de dureza presente en el agua de mar natural. La osmosis inversa también remueve una cantidad mucho mayor que la necesaria de los sólidos totales disueltos. Por ejemplo, un proceso típico de osmosis inversa trata agua de mar que tiene 35000 mg/1 de TDS a un agua que tiene menos de aproximadamente 300 mg/1 de TDS. Sin embargo el agua de inundación requiere solo menos de aproximadamente 5000 mg/1 de TDS.
El agua producida de osmosis inversa se debe mezclar con una fuente de dureza para generar un agua adecuada para la inyección con agua. Algunos sistemas de recuperación mejorada de petróleo pueden re-mineralizar el agua de osmosis inversa al dosificar al agua con, por ejemplo, piedra caliza y dióxido de carbono. Otros sistemas pueden incluir unidades de nanofiltración para producir una fuente de agua menos pura para mezclarse con el producto de osmosis inversa. La re-mineralización y el mezclado son desafiantes debido a que fluctúan de manera natural la composición y temperatura del agua de mar natural. Las fluctuaciones en la temperatura y composición de alimentación provocan que fluctué la calidad del agua producida y alteren en grado de re-mineralización o mezclado. En general, más agua
producida de osmosis inversa (y de nanofiltración) de la que se requiere para la inundación con agua se debe producir para asegurar que se pueda generar un agua que tiene la cantidad apropiada de dureza y sulfato. El agua en exceso no usada en la mezcla se descarta. Los sistemas de tradicionales de inundación de agua de esta manera son ineficientes en producir agua adecuada para la inundación de agua.
Adicionalmente, los sistemas de inundación de agua basados en osmosis inversa son grandes y pesados y por lo tanto son costosos de instalar en plataformas de alta mar. Aunque se pueden reducir en escala las unidades de osmosis inversa para reducir el área que cubren, el área superficial de la membrana de la unidad es directamente proporcional a la cantidad de rendimiento que puede acomodar la unidad. La reducción en escala del tamaño de la unidad impacta de esta manera negativamente la velocidad de producción del agua producida. La demanda energética por agua unitaria producida y la calidad de producto son independientes del tamaño de la unidad y no cambian cuando se reduce el área que cubre la unidad. Adicionalmente, debido a que los sistemas operan a presiones de hasta aproximadamente 6900 kPa, se deben usar bombas y tuberías de alta presión para ajustar las altas presiones del sistema. Los materiales usados para adecuar estas presiones del sistema en general son pesados, costosos, y susceptibles a corrosión. También, las membranas de separación por osmosis inversa y otras membranas de separación
accionadas por presión son altamente sensibles a atasco.
De acuerdo a una o más modalidades, se proporcionan métodos y sistemas mejorados de desalinación que se pueden emplear de manera ventajosa para tratar una fuente de agua de desalinación, tal como agua de mar, agua salobre, o cualquier otra fuente de agua que contiene un nivel indeseable de sales, para producir un agua tratada adecuada para el uso en sistemas y métodos de recuperación mejorada de petróleo. El agua de mar puede tener una concentración de sólidos totales disueltos en un intervalo de aproximadamente 10,000 a aproximadamente 45,000 ppm y se puede tratar para producir un agua de tratamiento adecuada para aplicaciones de inundación de agua. En ciertos ejemplos, el agua de mar puede tener una concentración de sólidos totales disueltos de aproximadamente 35,000 ppm. El agua salobre puede tener un contenido de sólidos totales disueltos en un intervalo de aproximadamente 1,000 ppm a aproximadamente 10,000 ppm e igualmente se puede tratar para producir agua adecuada para métodos de recuperación secundaria de petróleo. El agua de mar puede tener típicamente, por ejemplo, una concentración de sulfato de aproximadamente 2700 ppm como SO y una dureza total de aproximadamente 6,500 ppm como CaC03. En algunas modalidades no limitantes, el agua producida adecuada para aplicaciones de inundación de agua puede tener un nivel de sulfato de hasta aproximadamente 200 ppm, y un nivel de dureza de hasta aproximadamente 500 ppm, por ejemplo, aproximadamente 400 ppm.
Los sistemas y métodos de desalinación de acuerdo con una o más modalidades pueden ser accionados eléctricamente y pueden producir agua adecuada para inundación con agua sin la necesidad de mezclar el agua producida con una fuente externa de sólidos disueltos. Los sistemas de las presentes modalidades pueden tener una menor área de cobertura y ser más ligeros en peso que los sistemas adicionales de desalinación instalados típicamente en plataformas de alta mar. Los sistemas y métodos de las presentes modalidades se pueden usar de manera ventajosa en plataformas de alta mar en lugar de los métodos tradicionales de desalinación para producir una cantidad comparable de agua de inundación que tiene una composición deseada en tanto que ocupa menos cobertura cuadrada en la plataforma. Los sistemas y métodos de las presentes modalidades pueden cumplir con los requisitos de los sistemas y métodos tradicionales de desalación en alta mar en tanto que ocupan menos de aproximadamente 55% de los metros cuadrados requeridos por los sistemas tradicionales. El espacio ocupado, reducido de los sistemas y métodos de las presentes modalidades puede proporcionar ahorros sustanciales en el costo de capital. Los sistemas y métodos analizados en la presente también pueden operar de manera ventajosa a menores presiones y permitir el uso de materiales más ligeros que son más resistentes a la corrosión.
De acuerdo con una o más modalidades, un sistema de separación eléctricamente accionado puede tratar un agua de
alimentación que tiene una temperatura elevada. Las temperaturas elevadas de alimentación pueden permitir que los sistemas y métodos de las presentes modalidades consuman menos energía, produzcan un producto de mayor calidad, produzcan más producto, y/o tengan un menor espacio ocupado.
Un aparato o unidad de separación eléctricamente accionada, como se usa en la presente, puede referirse en general a dispositivos para purificar fluidos con campos eléctricos. Estos dispositivos se usan comúnmente para tratar agua y otros líquidos que contienen especies iónicas disueltas. Los dispositivos electroquímicos que tratan agua de esta manera incluyen dispositivos de electro-desionización, de electrodiálisis y de desionización capacitiva. Dentro de estos dispositivos están compartimentos de concentración y dilución separados por membranas iónicamente selectivas. Típicamente un dispositivo de electrodiálisis incluye membranas alternantes de intercambio aniónico y catiónico, semipermeables. Los espacios entre las membranas se configuran para crear compartimentos de flujo de líquido, con entradas y salidas. Un campo eléctrico aplicado impuesto mediante electrodos provoca que los iones disueltos, atraídos a sus respectivos contra-electrodos, migren a través de las membranas de intercambio aniónico y catiónico. Esto da por resultado en general que el líquido del compartimento de dilución se agote de iones, y el líquido en el compartimiento de concentración se enriquezca con los iones transferidos.
La electrodesionización (EDI) es un proceso que remueve, o al menos reduce, una o más especies ionizadas o ionizables, del agua, usando medios eléctricamente activos y un potencial eléctrico para tener influencia en el transporte iónico. Los medios eléctricamente activos sirven típicamente para recolectar y descargar de manera alternada especies iónicas y/o ionizables y, en algunos casos, para facilitar el transporte de iones, que puede ser de manera continua, por mecanismos de sustitución iónica o electrónica. Los dispositivos EDI pueden comprender medios electroquímicamente activos de carga permanente o temporal, y se pueden operar por lotes, de manera intermitente, de forma continua, y/o aun en modos de polaridad de inversión. Los dispositivos de EDI se pueden operar para promover una o más reacciones electroquímicas específicamente diseñadas para lograr o mejorar el desempeño. Adicionalmente, estos dispositivos electroquímicos pueden comprender membranas eléctricamente activas, tal como membranas de intercambio iónico o bipolares, semi-permeables o selectivamente permeables. Los dispositivos de electrodesionización continua (CEDI) son dispositivos de EDI conocidos por aquellos expertos en la técnica que operan de una manera en la cual la purificación de agua puede proseguir de manera continua, en tanto que se recarga de manera continua el material de intercambio iónico. Las técnicas de CEDI pueden incluir procesos tal como desionización continua, llamada electrodiálisis en celda o electrodiaresis . Bajo condiciones
controladas de voltaje y salinidad, en sistemas de CEDI, las moléculas de agua se pueden dividir para generar iones o especies de hidrógeno o hidronio y iones o especies de hidróxido o hidroxilo que pueden regenerar medios de intercambio iónico en el dispositivo para de esta manera facilitar la liberación de las especies atrapadas de los mismos. De esta manera, una corriente de agua que se va a tratar se puede purificar de manera continua sin que requiera necesidad de recarga química de resina de intercambio iónico.
Los dispositivos de electrodiálisis (ED) operan en un principio similar como CEDI, excepto que los dispositivos de ED no contienen típicamente medios electroactivos entre las membranas. Debido a la carencia de medios electroactivos, la operación de la ED se puede impedir en aguas de alimentación de baja salinidad debido a la resistencia eléctrica elevada. También, debido a la operación de ED en aguas de alimentación de alta salinidad puede da por resultado un consumo elevado de corriente eléctrica, el aparato de ED se ha usado hasta ahora más efectivamente en fuentes de agua de salinidad intermedia. En los sistemas basados en ED, debido a que no hay medios electroactivos, la división el agua puede ser ineficiente y en general se evita la operación en este régimen.
En los dispositivos de CEDI y de ED, una pluralidad de celdas o compartimentos adyacentes están separados típicamente por membranas selectivamente permeables que permiten el paso de
ya sea especies positivamente o negativamente cargadas, pero típicamente no ambas. Los compartimentos de dilución o agotamiento típicamente están intercalados con compartimentos concentradores o de concentración en estos dispositivos. Conforme el agua fluye a través de los compartimentos de agotamiento, se extraen típicamente especies iónicas y otras cargadas en los compartimentos de concentración bajo la influencia de un campo eléctrico, tal como un campo de CD. Las especies positivamente cargadas se atraen hacia un cátodo, localizado típicamente en un extremo de una pila de múltiples compartimentos de agotamiento y concentración, e igualmente las especies negativamente cargadas se atraen hacia un ánodo de estos dispositivos, localizado típicamente en el extremo opuesto de la pila de compartimientos. Los electrodos se alojan típicamente en compartimentos de electrolito que usualmente están parcialmente aislados de la comunicación para fluidos con los compartimentos de agotamiento y/o concentración. Una vez en un compartimiento de concentración, las especies cargadas se atrapan típicamente por una barrera de membrana selectivamente permeable que define al menos parcialmente el compartimiento de concentración. Por ejemplo, se impide típicamente que los aniones migren adicionalmente hacia el cátodo, fuera del compartimiento de concentración, por una membrana selectiva de cationes. Una vez capturadas en el compartimiento de concentración, las especies cargadas, atrapadas se pueden remover en una corriente de concentrado. En general,
las membranas en los dispositivos de separación eléctricamente accionados son selectivas a iones divalentes y típicamente son ineficientes en remover iones monovalentes .
En los dispositivos tanto de CEDI como de ED, típicamente se aplica el campo de CD a las celdas de una fuente de voltaje y corriente eléctrica aplicada a los electrodos (electrodo positivo o ánodo, y electrodo negativo cátodo) . La fuente de voltaje y corriente (colectivamente, "suministro de energía") se puede autoaccionar por una variedad de medios, tal como una fuente de energía de CA, o por ejemplo, una fuente de energía derivada de energía solar, eólica, o de las olas. En las entrecaras del electrodo/líquido, se presentan reacciones electroquímicas de media celda que inician y/o facilitan la transferencia de iones a través de las membranas y compartimentos. Las reacciones electroquímicas específicas que se presentan en el electrodo/entrecaras se pueden controlar en algún grado por la concentración de sales en los compartimentos especializados que alojan los montajes de electrodo. Por ejemplo, una alimentación a los compartimentos de electrolitos del ánodo que es alta en cloruro de sodio tenderá a generar gas cloro i ion hidrógeno, en tanto que una alimentación al compartimiento del electrolito del cátodo tenderá a generar el gas hidrógeno y ion hidróxido. En general, el ión hidrógeno generado en el compartimiento de ánodo se asociará con un anión libre, tal como ion cloruro, para conservar la neutralidad de carga y para crear
una solución de ácido clorhídrico, y de manera análoga, el ion hidróxido generado en el compartimiento de cátodo se asociará con un catión libre, tal como sodio, para conservar la neutralidad de carga y para crear la solución de hidróxido de sodio. Los productos de reacción de los compartimientos del electrodo, tal como el gas cloro e hidróxido de sodio, generados, se pueden utilizar en el proceso como se necesite para propósitos de desinfección, para propósitos desatasco y limpieza de membranas y y para propósitos de ajuste del pH.
Los diseños de placa y armazón y enrollados en espiral se han usado para varios tipos de dispositivos de desionización electroquímica que incluyen pero no se limitan a dispositivos de ED y de EDI. Los dispositivos de ED comercialmente disponibles son típicamente de un diseño de placa y armazón, en tanto que los dispositivos de IDE están disponibles en configuraciones tanto de placa y de armazón como en espiral. Varias modalidades son aplicables a los diseños de placa y armazón, enrollado en espiral y de flujo cruzado como se analiza en la presente.
De acuerdo con algunas modalidades, se proporcionan sistemas y métodos de producir agua adecuada para inundación con agua a partir de agua de desalinación, tal como agua de mar. Los sistemas y métodos pueden comprender conectar para fluidos una corriente de alimentación de agua de desalinación a una entrada de un aparato de separación eléctricamente accionado. Los sistemas y métodos pueden comprender, adicionalmente, conectar
para fluidos una salida del aparato de separación eléctricamente accionado a un yacimiento de petróleo.
Los sistemas y métodos de separación eléctricamente accionados de acuerdo con una o más modalidades pueden permitir de manera ventajosa que un agua tratada se ajuste para tener un conjunto especifico de propiedades deseadas. Por ejemplo, los sistemas y métodos de las presentes modalidades se pueden configurar para producir un agua que tiene un primer contenido de sólidos totales disueltos y se puede ajustar subsiguientemente al alterar al menos un parámetro de operación para producir un agua que tiene un segundo contenido de sólidos totales disueltos. De manera similar, los sistemas y métodos de las presentes modalidades pueden producir un agua tratada que tiene una primera dureza y puede permitir que un operador ajuste uno o más parámetros del sistema para producir un agua que tiene una segunda dureza. Se pueden seleccionar de manera similar otras propiedades del agua por el ajuste de los parámetros de operación. A este respecto, el sistema se puede ajustar para producir un agua tratada que tiene propiedades deseadas. Los sistemas y métodos de las presentes modalidades pueden permitir que un operador altere la composición del agua producida para acomodar diferentes preferencias comerciales y diferentes condiciones geológicas en sitios individuales de yacimientos de petróleo. Un operador también puede ajustar un agua producida en respuesta a fluctuaciones en la alimentación, a variaciones en el
yacimiento que se recupera, o en respuesta a otros parámetros del sistema .
De acuerdo con una o más modalidades, un sistema o subsistema de separación eléctricamente accionado puede ser más flexible al atasco que un sistema comparable de separación accionado por presión. En sistemas accionados por presión, las impurezas hacen contacto con las membranas de filtración accionadas por presión, directamente y provocan que se acumule una capa de material en las superficies de las membranas. La velocidad de flujo del agua de desalinación a través de un sistema de separación accionado por presión se debe mantener por debajo de un valor de umbral para reducir el atasco. En sistemas de separación eléctricamente accionados, las membranas de intercambio facilitan el transporte de iones del agua tratada y las membranas de intercambio no se ponen en contacto de forma forzada por impurezas. Como resultado de esta diferencia de operación, el agua de desalinación tratada por un sistema de separación eléctricamente accionado puede requerir menos pretratamiento que lo que es necesario en los sistemas de separación accionados por presión y puede ser más flexible al atasco. Debido a que los sistemas y métodos de las presentes modalidades pueden ser más flexibles al atasco, se puede requerir menos equipo de pretratamiento para pretratar el agua de desalinación natural introducida en el sistema. La reducción en el equipo de pretratamiento puede reducir el coste de capital y
el espacio ocupado del sistema.
De acuerdo con algunas modalidades, los sistemas y métodos de desalinación pueden incluir un sistema de separación eléctricamente accionado. Con referencia a la figura 1, el sistema 100 comprende el sistema de separación 10 eléctricamente accionado. El sistema 100 comprende una fuente de agua de desalinación, pretratada (no mostrada) . El agua de desalinación se puede pretratar con filtros de medios y medios mezclados, tal como filtros de arena. El pretratamiento también puede comprender la operación de unidades de cuajado, floculación y flotación de aire disuelto. El pretratamiento puede comprende aun adicionalmente una operación de pulido, por ejemplo, por el uso de cartuchos de filtro. El agua de desalinación también se puede pretratar químicamente con desinfectantes, tal como cloro, u otros agentes químicos. El agua de desalinación también puede someterse a desinfección con luz ultravioleta. Como se usa en el presente "agua de desalinación" se propone que abarque agua natural o pre-tratada que se va a desaliñar. Una alimentación de agua de desalinación, pretratada 110 se introduce en el conducto 115. El conducto 115 está en comunicación para fluidos con el subsistema 10. El conducto 115 puede tener una entrada en comunicación para fluidos con la fuente de agua de desalinación. El agua de desalinación 110 se alimenta a través del conducto 115 en el sistema de separación 10 eléctricamente accionado. El sistema de separación 10 eléctricamente accionado puede comprende
ED en al menos algunas modalidades. El sistema de separación 10 eléctricamente accionado recibe agua de desalación 110 del conducto 115 y produce agua tratada 120. El agua tratada 120 se puede alimentar en el conducto 125. El conducto 125 puede estar en comunicación para fluidos con un yacimiento de petróleo (no mostrado) . El agua tratada 120 puede tener un contenido de sulfato, de sólidos totales disueltos, y de dureza adecuado para el uso en la inundación con agua. El agua tratada 120 también puede ser adecuada, de acuerdo con otras modalidades, para el uso en sistemas y métodos de recuperación terciaria de petróleo.
De acuerdo con algunas modalidades, los sistemas y métodos de desalinación pueden incluir una pluralidad de aparatos de separación eléctricamente accionados. Con referencia a la figura 2, el sistema 200 comprende el subsistema 20 de separación eléctricamente accionado. El sistema 200 que tiene el subsistema 20 incluye dos aparatos de separación 240 y 250 eléctricamente accionados, conectados para fluidos en paralelo. El agua de desalinación 210 se puede alimentar a través del subsistema 20 para producir un agua tratada adecuada para sistemas y métodos mejorados de recuperación de petróleo. El agua de desalinación 210 se alimenta a través del conducto 215 y se divide en las porciones 220 y 230. La porción 220 de agua de desalinación 210 se recibe por el conducto 225 y se alimenta al aparato de separación 240 eléctricamente accionado. El aparato de separación 240 eléctricamente accionado produce agua producida 260. La
porción 230 de agua 210 se recibe por el conducto 235 y se alimenta al aparato de separación 250 eléctricamente accionado. El aparato de separación 250 eléctricamente accionado produce agua producida 270. Las aguas producidas 260 y 270 se combinan para formar el agua tratada 280. El agua tratada 280 se recibe por el conducto 285. El agua tratada 280 puede tener menos de aproximadamente 200 mg/1 de sulfato, menos de aproximadamente 100 mg/1 de sulfato, y en algunas modalidades, menos de aproximadamente 40 mg/1 de sulfato, un contenido de TDS en el intervalo de aproximadamente 1000 mg/1 a aproximadamente 5000 mg/1, y una concentración de dureza en el intervalo de aproximadamente 100 ppm a aproximadamente 1000 ppm, y en algunas modalidades no limitantes, aproximadamente 400 ppm. El agua tratada 120 puede ser adecuada para métodos de recuperación secundaria de petróleo y se puede usar en una inundación de agua para mejorar la recuperación de petróleo de un yacimiento de petróleo. El agua tratada 120 pude ser adecuada, de acuerdo con otras modalidades, para el uso en sistemas y métodos de recuperación terciaria de petróleo. Los aparatos de separación 240 y 250 eléctricamente accionados pueden ser unidades de electrodiálisis, unidades de electro-desionización, o una combinación de estos.
De acuerdo con algunas modalidades, uno o más aparatos de separación eléctricamente accionados pueden ser una unidad de electrodiálisis que tiene membranas selectivas monovalentes. Con
referencia nuevamente a la figura 2, el aparato de electrodiálisis 240 puede tener membranas de intercambio aniónico y catiónico, normales. Típicamente, las membranas de intercambio catiónico y aniónico normales remueven iones divalentes a un grado mucho mayor que los iones monovalentes. El aparato de electrodiálisis 250 puede tener una membrana normal de intercambio aniónico y una membrana monovalente de intercambio catiónico selectivo.
Las membranas normales de intercambio catiónico en el aparato de electrodiálisis 240 remueven cationes divalentes de la porción 220 del agua de desalinación 210 a un mayor grado que los cationes monovalentes. Las principales especies que contribuyen a la dureza del agua son magnesio (Mg2+) , y calcio (Ca2+) , ambas de las cuales son los iones divalentes. Las membranas normales de intercambio iónico en la unidad electrodiálisis 240 remueven aniones tanto monovalentes como divalentes. Las membranas normales de intercambio aniónico en la unidad de electrodiálisis 340 remueven de este modo sulfato (S042~) , un ión divalente. El aparato de electrodiálisis 340 produce agua producida 260 que tiene una concentración reducida de iones, particularmente una concentración reducida de aniones y cationes divalentes. Diferente de los aparatos de separación accionados por presión, el grado al cual se remueve las especies iónicas por la unidad de electrodiálisis 240 es dependiente en parte de las condiciones bajo las cuales se opera el aparato de electrodiálisis 240.
Con referencia ahora al aparato de electrodiálisis 250, las membranas de intercambio catiónico selectivo monovalente no mueven de manera eficiente iones divalentes y de esta manera una concentración de dureza en la porción 230 del agua de desalinación 210 no se reduce de manera sustancial por el aparato 250. El agua producida 270 tratada por el aparato de electrodiálisis 250 contiene significativamente más dureza con relación al agua producida 260. Sin embargo, la unidad de electrodiálisis 250 tiene membranas normales de intercambio aniónico selectivo que remueve de manera preferencial aniones divalentes. Los aniones divalentes, incluyendo el sulfato, se remueven por el aparato de electrodiálisis 250. El grado al cual se remueven las especies iónicas por la unidad de electrodiálisis 250 también es dependiente en parte de las condiciones bajo las cuales se opera el aparato de electrodiálisis 250.
Las aguas producidas 270 y 260 se combinan para generar el agua tratada 280. El agua producida 270 contiene iones divalentes, incluyendo el magnesio y calcio. La presencia de iones divalentes en el agua producida 270 puede asegurar que el agua tratada 280 contenga la relación correcta de catión divalente a catión total y la concentración apropiada de dureza para aplicaciones de inundación con agua. Las aguas producidas 270 y 260 contienen ambas niveles reducidos de sulfato debido a la presencia de las membranas normales de intercambio aniónico en los aparatos de electrodiálisis 240 y 250, respectivamente, y de
esta manera el agua tratada 280 puede tener una concentración de sulfato adecuada para la inundación con agua. El agua producida 280 también tiene una concentración reducida de sólidos totales disueltos, sin embargo, los sólidos totales disueltos del agua producida 280 pueden estar por arriba de la concentración de sólidos totales disueltos del agua tratada por los aparatos de separación accionados por presión, tal como osmosis inversa. El agua tratada 280 puede tener menos de aproximadamente 200 mg/1 de sulfato, menos de aproximadamente 100 mg/1 de sulfato, y en algunas modalidades, menos de aproximadamente 40 mg/1 de sulfato, un contenido de TDS en el intervalo de aproximadamente 1000 mg/1 a aproximadamente 5000 mg/1, y una concentración de dureza en el intervalo de aproximadamente 100 ppm a aproximadamente 1000 ppm, y en algunas modalidades no limitantes, aproximadamente 400 ppm.
La calidad del agua tratada 280 depende de la calidad de las aguas tratadas 260 y 270, asi como la contribución relativa de cada agua producida a la cantidad total de agua tratada 280 producida. Debido a que la calidad de las aguas producidas 260 y 270 es dependiente de las condiciones bajo las cuales se operan los aparatos de electrodiálisis 240 y 250, la calidad del agua tratada 280 se puede ajustar al ajustar los parámetros de operación del aparato 240, aparato 250, o ambos. El sistema 200 que tiene el subsistema de electrodiálisis 20 puede permitir de manera ventajosa la producción de un agua de tratamiento adecuada para aplicaciones de recuperación mejorada
de petróleo del agua de desalinación que tiene varias propiedades. Los métodos y sistemas de las presentes modalidades también pueden permitir la producción de un agua de tratamiento para la inundación con agua que tiene propiedades ajustables tal que el agua de tratamiento producida se pueda ajustar para ajustar las condiciones geológicas únicas presentes en los yacimientos individuales de petróleo. Los sistemas y métodos de las presentes modalidades también pueden eliminar de manera ventajosa la necesidad de producir un exceso de agua producida, tal como un exceso de agua producida de aplicaciones de osmosis inversa, y puede eliminar la necesidad de remineralizar o de mezclar un agua producida con una fuente de dureza.
De acuerdo con una o más modalidades, varias propiedades de la corriente de alimentación distribuida al sistema para el tratamiento, así como las propiedades deseadas del agua que se va a producir por el sistema, pueden tener un impacto en uno o más parámetros de operación. Por ejemplo, la división entre las operaciones unitarias paralelas se puede ajustar por consiguiente en algunas modalidades. En otras modalidades, se puede ajustar la cantidad de membranas selectivas monovalentes. En algunas modalidades no limitantes, por ejemplo, de aproximadamente 5% a aproximadamente 15% de las membranas de intercambio iónico en el subsistema de separación eléctricamente aislado pueden ser membranas de intercambio catiónico selectivo monovalente. En algunas modalidades no limitantes, específicas,
aproximadamente 5% de las membranas de intercambio iónico en el subsistema de separación eléctricamente accionado son membranas de intercambio catiónico selectivo monovalente.
El grado al cual un aparato de separación eléctricamente accionado, tal como las unidades de electrodiálisis 240 y 250, desaliñaran un agua de alimentación, es dependiente del potencial eléctrico aplicado a las celdas. Cuando se aplica un voltaje a una celda, crea una corriente eléctrica a través de la celda. La corriente eléctrica provoca que los iones se transporten fuera de los diluyentes. Conforme se incrementa el voltaje, se incrementa la corriente. Entre mayor sea la corriente eléctrica, se transportarán más iones fuera del diluyente. El transporte incrementado de iones da por resultado mayor calidad de producto. Las aguas producidas 260 y 270 se pueden ajusfar para producir un agua tratada, deseada, 280 al ajusfar el voltaje aplicado a los aparatos de electrodiálisis 240 y 250. Igualmente, si las cambian las del agua de desalinización 210, el voltaje aplicado de los aparatos 240 y 250 se puede ajusfar en respuesta al cambio para mantener las propiedades deseadas del agua tratada 280.
La energía o potencia consumida por un aparato de electrodiálisis es dependiente de la corriente eléctrica, de la velocidad de flujo y del área superficial de la membrana. La medición de la corriente de la velocidad de flujo en una celda se expresa f ecuentemente en términos de la densidad de corriente,
donde la densidad de corriente es la corriente eléctrica por área unitaria. El incremento de la densidad de corriente incrementa el consumo de energía, en tanto que el incremento del área superficial de la membrana disminuye el consumo de energía.
De acuerdo con una o más modalidades, el espacio ocupado un sistema de separación eléctricamente accionado puede ser más pequeño que un sistema de separación accionado por presión usado para desalinizar agua para producir agua adecuada para métodos de recuperación mejorada de petróleo. De acuerdo con aspectos y modalidades, el espacio ocupado del sistema eléctricamente accionado analizado en la presente se puede reducir al disminuir las áreas superficiales de membrana del aparato de separación en el sistema. El espacio ocupado, reducido puede incrementar el consumo de energía del sistema. Sin embargo, el sistema puede emplear de manera ventajosa el gas natural producido como resultado de los métodos de recuperación de petróleo. Debido a que está disponible el gas natural en exceso en los sitios de recuperación de petróleo, el rendimiento del aparato de separación eléctricamente accionado se puede mantener a pesar de la demanda incrementada de energía que resulta de la reducción del espacio ocupado del sistema. Al permitir que el sistema opere de manera menos eficiente y consuma más energía por agua tratada unitaria, se puede reducir espacio ocupado del sistema. El espacio ocupado, reducido puede reducir el costo asociado con la recuperación de la inundación de agua,
particularmente cuando se emplean los sistemas y métodos en plataformas de petróleo de alta mar donde el espacio es una cosa valiosa y las fuentes de energía son abundantes.
De acuerdo con una o más modalidades, los aparatos y sistemas de separación eléctricamente accionados pueden desalinizar agua de desalinación caliente sin degradación en la calidad del producto. En los sistemas de separación accionados por presión, conforme se incrementa la temperatura de la alimentación, disminuye el paso de sal a través de la membrana y se reduce la calidad del producto. Las temperaturas más calientes del agua de alimentación también aceleran la velocidad de degradación de la membrana accionada por presión. En general, agua de alimentación tratada por los métodos de separación accionados por presión debe tener una temperatura menor de aproximadamente 35°C a aproximadamente 45°C para asegurar una calidad de producto y una estabilidad de membrana. Las membranas de intercambio iónico de los aparatos y sistemas de separación eléctricamente accionados de las presentes modalidades pueden tener una mayor estabilidad térmica que las membranas de separación accionadas por presión y pueden operar en aguas de alimentación que tienen temperaturas elevadas, por ejemplo temperaturas en el intervalo de aproximadamente 1°C a aproximadamente 99°C. Una temperatura incrementa de alimentación puede reducir ventajosamente la cantidad de energía consumida por los aparatos y sistemas de las presentes modalidades. Debido a
que las alimentaciones de altas temperaturas reducen la caída de voltaje a través de las celdas electroquímicas, se puede incrementar la capacidad del sistema de un aparato de separación eléctricamente accionado en tanto que se mantiene constante el consumo de energía. Adicionalmente, los aparatos y sistemas pueden, como resultado de la eficiencia mejorada de los aparatos y sistemas cuando se operan en alimentaciones de mayor temperatura, ser mantenidos a una demanda constante de energía en tanto que se reduce el área superficial de la membrana de intercambio y el espacio ocupado del sistema.
Con referencia a la figura 3, el sistema 300 comprende el subsistema 30 eléctricamente accionado 30 de acuerdo con una o más modalidades. El sistema 300 comprende una fuente de calor residual 340 corriente arriba del subsistema 30. Una alimentación de agua de desalinación pretratada 310 se introduce en el conducto 315 y se divide en la porción 320 y en la porción 330. El conducto 325 recibe la porción 320 de agua de desalinación 310. El conducto 325 acopla térmicamente la porción 325 a una fuente de calor residual 340, que incrementa la temperatura de la porción 320. El agua de desalinación, calentada 350 entonces se introduce en el conducto 355. El conducto 355 tiene una salida en comunicación para fluidos con el conducto 315 y el agua de desalinación, calentada 350 se introduce en el conducto 315 y se combina con la porción 330 de agua de desalinación para producir el agua de desalinación, calient 360. El conducto 315 entonces se
introduce del agua de desalinación 360 en aparato de separación 30 eléctricamente accionado. La temperatura incrementada del agua de desalación 360 en comparación al agua de desalinación 310 puede reducir ventajosamente la energía requerida para producir el agua tratada 370. El incremento de la temperatura del agua de desalinación 360 reduce la resistencia eléctrica de las membranas en el aparato de separación eléctricamente accionado y de esta manera reduce la caída de voltaje a través de las celdas del sistema de separación 30. La caída reducida de voltaje puede permitir que el sistema 30 adecué un mayor rendimiento de alimentación sin un incremento en el consumo de energía. De manera alternativa, se puede reducir el tamaño del sistema 30 en tanto que mantiene un consumo constante de energía sin degradación de la calidad del producto.
La fuente de calor residual 340 se puede generar por un generador, un condensador de vapor de una planta de energía, una caldera, el calor en exceso de una llamarada de gas, o cualquier otra fuente de calor residual. La capacidad de los sistemas y métodos descritos para tratar el agua de desalinación de mayores temperaturas es particularmente ventajosa debido a que las plantas de energía, las plataformas de petróleo, y otros sistemas tienen en general una pluralidad de operaciones unitarias que generan calor residual y se deben enfriar. Por ejemplo, las plantas de energía frecuentemente están acumulando una fuente de agua de desalinación para proporcionar a la planta con un exceso
de agua de enfriamiento. El agua de desalinación usada para enfriar las operaciones unitarias llegar a estar caliente. El agua usada para enfriar los condensadores de vapor, por ejemplo, después de una pasada de enfriamiento puede tener en general una temperatura de aproximadamente 10°C a aproximadamente 50°C. Hay regulaciones estrictas, sin embargo, en la temperatura a la cual se puede descargar el agua de regreso al ambiente. El agua de alta temperatura puede perturbar la vida marina y tener un impacto adverso en el ecosistema circundante. El agua usada para enfriamiento entonces se debe enfriar a una temperatura adecuada antes de descartarla. Este paso adicional de enfriar el agua puede contribuir a los costos de operación y costos de capital.
Por ejemplo, el agua de desalinación usada para enfriar los generadores a bordo de una plataforma de petróleo en alta mar se debe enfriar antes de que el agua se pueda descartar o usar en un sistema de separación accionado por presión. El enfriamiento requiere equipo adicional que ocupa espacio valioso en la plataforma. De acuerdo con una o más modalidades, el agua de desalinación usada para enfriar los generadores a borde se puede alimentar directamente a un sistema de separación eléctricamente accionado para producir agua de inundación. La necesidad de pasar agua caliente a través del equipo de refrigeración de esta manera se puede eliminar. Una o más modalidades pueden ser capaces de tratar el agua de desalinación que tiene temperaturas en el intervalo de aproximadamente 1°C a aproximadamente 99°C. En
algunas modalidades no limitantes, se puede tratar el agua de desalinación a una temperatura en el intervalo de aproximadamente 20°C a aproximadamente 60°C aproximadamente. Conforme se incrementa la temperatura de la alimentación disminuye la energía y el área membrana requerida para desaliñar el agua de mar. La temperatura incrementada del agua de alimentación por lo tanto puede reducir el consumo de energía del sistema y/o puede permitir que se reduzca el espacio ocupado del sistema de separación eléctricamente accionado, que puede dar por resultado ahorros económicos sustanciales con respecto a sistemas y métodos tradicionales usados para producir agua de tratamiento para recuperación mejorada de petróleo.
Igualmente, una planta de energía se puede acoplar a un sistema de separación eléctricamente accionado para proporcionar energía y agua potable a los servicios del área. La planta puede usar una fuente de agua de desalinación para enfriar ciertas operaciones unitarias que generan calor residual y luego alimentar el agua de desalinación que tiene una temperatura elevada a un sistema de separación eléctricamente accionado de acuerdo con una o más modalidades. La temperatura incrementada del agua puede permitir que el sistema de separación eléctricamente accionado consuma menos energía para una cierta velocidad de flujo de producto que de otro modo sería posible. Por ejemplo, un aparato de separación eléctricamente accionado puede ser capaz de adecuar un incremento en el flujo de 3.2% por
cada 1°C de incremento en la temperatura de alimentación.
De acuerdo con una o más modalidades, el agua usada para enfriamiento, tal como el agua usada para enfriar un motor (por ejemplo, un motor de combustión interna) , se puede mezclar con agua de mar para lograr un agua de desalinación a una temperatura deseada en lugar de que se alimente directamente a un sistema de separación eléctricamente accionado. De esta manera, el agua de enfriamiento a una temperatura elevada se puede mezclar con agua de mar para lograr agua dentro de un intervalo deseado de temperatura, por ejemplo, entre aproximadamente 20°C y aproximadamente 60°C, para la desalación subsiguiente por un dispositivo de ED u otro dispositivo.
De acuerdo con una o más modalidades, los sistemas de separación eléctricamente accionados pueden tratar agua que tienen temperaturas naturalmente elevadas, por ejemplo, agua natural de un pozo profundo. Algunas aguas naturales pueden tener una temperatura de más de aproximadamente 50°C y de esta manera se necesitan enfriar antes de que se traten por un sistema de separación accionado por presión. Los sistemas y métodos de acuerdo con una o más modalidades pueden tratar agua de desalinación de alta temperatura que se presenta de forma natural sin ningún paso intermedio de enfriamiento y como resultado de la alta temperatura de alimentación, pueden ser capaces ventajosamente de reducir el consumo de energía por unidad de agua tratada, producida.
Cuando es mayor la temperatura del agua, llega a ser menor la solubilidad del sulfato de calcio, incrementando de este modo el riesgo de incrustación. También se puede acelerar el bio-crecimiento y la degradación de las membranas. Se pueden mejorar la desalinación a alta temperatura al tomar medidas apropiadas para mitigar la incrustación y el bio-crecimiento . La solubilidad de los compuestos de calcio se puede controlar con la adición de un anti-incrustante y el bio-crecimiento se puede controlar por desinfección periódica del equipo de desalinación con un desinfectante tal como cloro, dióxido de cloro, o un enjuague a alta temperatura del equipo a una temperatura de más de aproximadamente 80°C. También el bio- crecimiento se puede controlar por ya sea la introducción periódica o continua de un desinfectante al agua de alimentación del sistema de desalinación. Las pruebas de estabilidad térmica han demostrado que las membranas que se pueden usar en una o más modalidades no se degradan por aguas de alimentación de mayor temperatura, por ejemplo, agua de desalinación a una temperatura de más de aproximadamente 50°C.
Los sistemas y métodos de acuerdo con una o más modalidades pueden operar a presiones en el intervalo de desde aproximadamente 140 kPa a aproximadamente 420 kPa o superior. Las menores presiones del sistema en comparación a los sistemas tradicionales de separación accionados por presión pueden permitir el uso de materiales de peso ligero, y resistentes a
corrosión, por ejemplo, tubería de PVC, tubería de fibra de vidrio o tubería de acero forrado de peso ligero. Adicionalmente, se pueden usar bombas más pequeñas, de peso más ligero y menos costosas. Se puede reducir el ruido y la vibración. También se puede mejorar la seguridad.
En algunas modalidades, un subsistema de separación eléctricamente accionado puede tener componentes modulares que permitan que el sistema se modifique para procesos determinados. Por ejemplo, un subsistema modular de separación eléctricamente accionado puede ser capaz de múltiples configuraciones. En una primera configuración, el subsistema puede producir un agua tratada adecuada para recuperación secundaria de petróleo. En la primera configuración, el subsistema puede comprender al menos dos unidades de electrodiálisis conectadas para fluido en paralelo. Una de las unidades de electrodiálisis puede comprender membranas normales de intercambio aniónico y catiónico, y otra de las unidades puede comprender una membrana de intercambio aniónico normal y una membrana de intercambio catiónico monovalente. Después de que se ha agotado la recuperación de petróleo por métodos secundarios, el subsistema se puede configurar en una segunda configuración para producir agua tratada adecuada para la recuperación terciaria. El agua adecuada para la recuperación terciaria tiene en general la misma composición de agua usada en la recuperación secundaria, con la excepción que se remueve tanta dureza como sea posible del agua
terciaria. La unidad de electrodiálisis que tiene una membrana de intercambio de catión monovalente se puede reemplazar por una unidad de electrodiálisis que tiene membranas de intercambio aniónico y catiónico normal. Ambas unidades de electrodiálisis entonces pueden funcionar para remover iones divalentes tal como dureza y sulfato. En la configuración secundaria, el subsistema eléctricamente accionado puede producir agua que tiene un contenido de sólidos totales disueltos en el intervalo de aproximadamente 1000 ppm a aproximadamente 5000 ppm, menos de aproximadamente 200 mg/l de sulfato, y menos de 400 ppm de dureza. De acuerdo con algunas modalidades, el subsistema puede producir un agua tratada que tiene menos de aproximadamente 100 mg/l de sulfato, por ejemplo menos de aproximadamente 40 mg/l de sulfato, y menos de aproximadamente 1000 ppm de dureza, por ejemplo menos de aproximadamente 500 ppm de dureza.
De acuerdo con algunas modalidades, se pueden adicionar o remover del sistema uno o más aparatos de separación eléctricamente accionados. Los aparatos se pueden conectar para fluidos en paralelo, en serie, o en ambos dependiendo del agua tratada, deseada. El subsistema de separación eléctricamente accionado puede tener aparatos de separación, eléctricamente accionados, montados en zapata. Cuando se requiere una modificación 10 del sistema, una zapata que tiene un primer aparato de separación eléctricamente accionado se puede intercambiar por una zapata que tiene segundo aparato de
separación eléctricamente accionado. El segundo aparato de separación eléctricamente accionado puede tener las mismas propiedades como el primer aparato de separación eléctricamente accionado y puede reemplazar simplemente el primer aparato en el caso que el primer aparato requiera servicio o el segundo aparato de separación eléctricamente accionado puede tener diferentes propiedades que el primer aparato y se puede intercambiar a fin de producir un agua deseada de tratamiento no capaz de ser producida por un sistema que tiene el primer aparato.
El agua de desalinación tratada por los sistemas y métodos descritos en la presente se puede ajustar para producir un agua tratada que tiene propiedades deseadas. Por ejemplo, un agua tratada que tiene una dureza deseada se puede producir al ajustar las porciones de agua de desalinación alimentadas a los aparatos de separación eléctricamente accionados que tienen diferentes membranas. Si se desea más dureza, una porción más grande de una corriente de alimentación se puede alimentar a un aparato de separación eléctricamente accionado que tiene membranas de intercambio catiónico monovalente. Si se requiere menos dureza, se puede alimentar una porción más grande de una corriente de alimentación a un aparato que tiene membranas de intercambio catiónico normal tal que una porción más grande del agua tratada, total ha pasado a través de membranas divalentes-selectivas .
El agua tratada se puede ajustar adicionalmente al
ajustar el voltaje aplicado a uno o más aparatos de separación eléctricamente accionados en el subsistema. Si se desea un agua producida, tratada que tenga una pureza especifica, se puede aplicar un voltaje apropiado al sistema para lograr el nivel necesario de remoción. Cuando el sistema tiene al menos dos aparatos arreglados en paralelo, el voltaje aplicado a un módulo se puede ajustar sin modificar el voltaje aplicado a los otros aparatos. Por lo tanto el voltaje aplicado se puede ajustar para producir agua que tiene una dureza especifica. El agua tratada también se puede ajustar en respuesta a fluctuaciones en la temperatura y composición de alimentación, o en respuesta a cualquier otro parámetro del sistema.
En algunas modalidades, un controlador puede facilitar o regular los parámetros de operación del subsistema de separación eléctricamente accionado. Por ejemplo, se puede configurar un controlador para ajustar la alimentación del agua de desalinación alimentada al subsistema, para ajustar las porciones del agua de desalinación alimentada a aparatos individuales de separación eléctricamente accionados dentro del sistema, para ajustar el voltaje aplicado a aparatos individuales de separación eléctricamente accionados dentro del sistema, y/o otros parámetros asociados con cualquiera de las operaciones unitarias del subsistema de separación eléctricamente accionado. En sistemas de separación eléctricamente accionados que tienen aparatos de separación eléctricamente accionados arreglados en
paralelo, el controlador puede ajustar las condiciones de operación de un aparato de separación eléctricamente accionados sin cambiar las condiciones de operación de los otros aparatos de separación eléctricamente accionados, el controlador puede ajustar uniformemente los parámetros de operación de todos los aparatos de separación eléctricamente accionados el sistema, o puede ajustar los parámetros de operación de unidades individuales en el sistema de una manera no uniforme.
El controlador puede responder a señales de temporizadores y/o sensores colocados en cualquier ubicación particular dentro del sistema de tratamiento. Uno o más sensores pueden monitorizar uno o más parámetros de operación tal como temperatura del agua de desalinación, composición del agua de desalinación, características de las aguas producidas de uno o más aparatos de separación eléctricamente accionados en el subsistema de separación eléctricamente accionado, y/o una o más características del agua de tratamiento producida por el subsistema .
Por ejemplo, se pueden colocar uno o más sensores en una entrada de un sistema de separación eléctricamente accionado. Un termopar puede medir la temperatura del agua de desalinación, entrante, y enviar una señal a al menos una porción del subsistema de separación eléctricamente accionados para ajustar el voltaje aplicado en un aparato de separación eléctricamente accionado del subsistema en respuesta a un cambio en la
temperatura de alimentación. Igualmente, una sonda amperométrica puede medir la conductividad de la alimentación como una medida de los sólidos totales disueltos y enviar una señal a al menos una porción del subsistema de separación eléctricamente accionado para ajustar el voltaje aplicado en un aparato de separación eléctricamente accionado del subsistema en respuesta a un cambio en la concentración de los sólidos totales disueltos en la alimentación .
Se pueden colocar uno o más sensores en la salida del sistema de separación eléctricamente accionado para medir las propiedades del agua tratada. Por ejemplo, una sonda que tiene una membrana selectiva de dureza colocada entre los electrodos se puede colocar en una salida del sistema de separación eléctricamente accionado para medir la concentración de la dureza en el agua tratada como una función de la conductividad. La sonda puede enviar una señal a uno o más válvulas corriente arriba de uno o más aparatos de separación eléctricamente accionados en el subsistema. La señal puede provocar que se alimente una mayor porción del agua de desalinación a un aparato de separación eléctricamente accionado que tiene membranas de intercambio aniónico y cationes normal tal que el agua tratada tiene menos dureza. La señal puede provocar en cambio que se alimente una mayor porción del agua de desalinación en un aparato de separación eléctricamente accionado que tiene una membrana de intercambio catiónico monovalente tal que el agua tratada tiene
una mayor concentración de dureza.
En algunas modalidades, las porciones de flujo a los aparatos eléctricamente accionados en el subsistema y/o los voltajes aplicados a estos aparatos se pueden ajustar para mantener una composición constante del agua de tratamiento. En algunas modalidades, se pueden ajustar los parámetros para mantener en cambio un consumo constante de energía. El sistema y controlador de una o más modalidades proporcionan una unidad versátil que tiene múltiples modos de operación, que puede responder a múltiples entradas para ajustar el agua tratada y/o incrementar la eficiencia del sistema.
El controlador se puede implementar usando uno o más sistemas de computadora que pueden ser, por ejemplo, una computadora de propósito general, tal como aquellas basadas en un procesador Intel PentiumMR o CoreMR, un procesador Motorola PowerPCMR, un procesador Hewlett-Packard PA-RISCMR, un procesador Sun UltraSPARCMR, o cualquier otro tipo de procesador o combinación de los mismos. De manera alternativa, el sistema de computadora puede incluir hardware especialmente programado de propósito especial, por ejemplo, un circuito integrado específico de la aplicación (ASIC) o controladores propuestos para sistema de tratamiento de agua.
El sistema de computadora puede incluir uno o más procesadores conectados típicamente a uno o más dispositivos de memoria, que pueden comprender, por ejemplo, cualquiera de uno o
más de una memoria de unidad de disco, un dispositivo de memoria flash, un dispositivo de memoria RAM, u otro dispositivo para almacenamiento de datos . La memoria se puede usar para almacenar programas y datos durante la operación del sistema. Por ejemplo, la memoria se puede usar para almacenar datos históricos con relación a los parámetros durante un periodo de tiempo, asi como datos de operación. Se puede almacenar software, incluyendo código de programación que implementa una o más modalidades en un medio de grabación libre por computadora y/o escribible, no volátil, y luego copiar en una memoria en donde se puede ejecutar entonces por uno o más procesadores. Este código de programación se puede escribir en cualquiera de una pluralidad de lenguajes de programación, por ejemplo, Java, Visual Basic, C, C#, o C++, Fortran, Pascal, Eiffel, Basic, o cualquiera de una variedad de combinaciones de esto.
Se pueden acoplar componentes del sistema de computadora por uno o más mecanismos de interconexión, que pueden incluir una o más barras colectoras, por ejemplo, entre componentes que se integran dentro de un mismo dispositivo, y/o una red, y/o entre componentes que residen en dispositivos discretos separados. El mecanismo de interconexión puede permitir la comunicación de, por ejemplo, datos y/o instrucciones, para que se intercambien entre componentes del sistema. El sistema de computadora también puede incluir uno o más dispositivos de entrada, por ejemplo, un teclado, ratón, bola de control de
cursor, micrófono, pantalla táctil, y otros dispositivos de interfaz hombre-máquina, asi como uno o más dispositivos de salida, por ejemplo, un dispositivo de impresión, pantalla de visualización, o altavoz. Además, el sistema de computadora puede contener una o más interfaces que pueden conectar el sistema de computadora a una red de comunicación, además de o como una alternativa a la red que se puede formar por uno o más de los componentes del sistema.
De acuerdo a una o más modalidades, el uno o más dispositivos de entrada pueden incluir sensores para medir cualquier uno o más parámetros de cualquiera de las modalidades de los sistemas descritos en la presente y/o componentes de los mismos. De manera alternativa, los sensores, válvulas, y/o bombas de dosificación, o todos estos componentes se pueden conectar a una red de comunicación que está acoplada de manera operativa al sistema de computadora. Se pueden acoplar cualquiera de uno o más de los anteriores a otro sistema computadora o componente para comunicarse con el sistema de computadora sobre una o más redes de comunicación. Esta configuración permite que se coloque un dispositivo sensor o generador de señales a una distancia significativa del sistema computadora y/o permite que se coloque cualquier sensor a una distancia significativa de cualquier subsistema y/o controlador, en tanto que aun proporciona datos entre los mismos. Estos mecanismos de comunicación se pueden ver afectados al utilizar cualquier técnica adecuada incluyendo, pero
no limitado a aquellas que utilizan protocolos inalámbricos.
El controlador puede incluir uno o más medios de almacenamiento de computadora tal como medio de grabación no volátil leíble y/o escribible en el cual se pueden almacenar señales que definen un programa para que se ejecute por uno o más procesadores. El medio puede ser, por ejemplo, un disco o memoria Flash. En la operación típica, el uno o más procesadores pueden hacer que los datos, tal como el código que implementa una o más modalidades, se lean del medio de almacenamiento en una memoria que permite acceso más rápido a la información por uno o más procesadores que lo que hace el medio.
Aunque el sistema de computadora se describe a manera de ejemplo, como un tipo de sistema de computadora en la cual se pueden practicar varios aspectos de la invención, se debe apreciar que la invención no se limita para que se implemente en software, o en el sistema de computadora como se muestra a manera de ejemplo. En realidad, en lugar de que se implemente en, por ejemplo, un sistema de computadora de propósito general, el controlador, o los componentes o subsecciones del mismo, se pueden implementar de manera alternativa como un sistema dedicado o como un controlador lógico programable (PLC) dedicado o un sistema de control distribuido. Adicionalmente, se debe apreciar que se pueden implementar una o más características o aspectos de la invención en el software, hardware o firmware (programa en circuitos), o cualquier combinación de esto. Por ejemplo, se
pueden realizar uno o más segmentos de un algoritmo ejecutable por el controlador en computadoras separadas, que pueden estar en comunicación entre si a través de una o más redes.
Se puede usar control de retroalimentación en algunas modalidades del sistema de control. Uno o más sensores o medidores para medir cualquiera de una o más de la temperatura, sólidos totales disueltos (TDS) , dureza, sulfato, y/u otros parámetros de interés se pueden utilizar para medir una o más características de las aguas producidas que dejan uno o más aparatos de separación eléctricamente accionados dentro del subsistema de separación eléctricamente accionado, o el agua tratada que deja el subsistema y suministrar al controlador con una información con respecto a una o más características. Cuando cambian cualquiera de las características medidas, el controlador puede reaccionar al hacer que el sistema ajuste los varios parámetros de operación, por ejemplo, velocidades de flujo a hacia cualquiera de las operaciones unitarias, voltaje aplicado a cualquiera de las operaciones unitarias, energía o potencia consumida por cualquiera de las operaciones unitarias, energía consumida por el subsistema, o cualquier otro parámetro deseado de operación del subsistema.
Se puede utilizar control directo de alimentación en algunas modalidades del sistema de control. Se pueden utilizar uno o más sensores o medidores para medir cualquiera de temperatura, sólidos totales disueltos (TDS) , dureza, sulfato,
y/u otros parámetros de interés para medir una o más características del agua de desalinación que entra al subsistema (o en cualquier otra ubicación dentro del sistema) y suministrar al controlador con información con respecto a este o estos parámetros. Dependiendo de los niveles de cualquiera de los parámetros medidos del agua de desalinación, el controlador puede provocar que el sistema ajuste varios parámetros de operación, por ejemplo, por ejemplo, velocidades de flujo hacia cualquiera de las operaciones unitarias, el voltaje aplicado a cualquiera de las operaciones unitarias, la energía consumida por cualquiera de las operaciones unitarias, la energía consumida por el subsistema, o cualquier otro parámetro deseado de operación del subsistema .
Los aspectos adicionales pueden comprender o estar dirigidos a medios leíbles por computadora, o proporcionar medios leíbles por computadora, lo que facilita las varias características de los planteamientos del tratamiento descritos en la presente.
Por ejemplo, los medios leíbles por computadora pueden comprender instrucciones implementables en un sistema de computadora o un controlador que realiza o desempeña un método para tratar agua en un sistema de tratamiento de agua de acuerdo con cualquiera o cualesquiera de las modalidades descritas anteriormente .
En otras configuraciones, los medios leíbles por
computadora pueden comprender instrucciones implementadas en un sistema de computadora o un controlador que realiza un método para facilitar el tratamiento del agua de desalinación para producir un agua tratada adecuada para inundación con agua a un yacimiento de petróleo. El agua de desalinación puede comprender una fuente de agua de mar, pretratada y el método puede comprender introducir el agua de desalinación en un subsistema de separación eléctricamente accionado. El subsistema puede incluir una pluralidad de aparatos de separación eléctricamente accionados . Los aparatos de separación eléctricamente accionados se pueden conectar en paralelo, en serie, o en alguna combinación de estos. El método puede incluir introducir una porción del agua de desalinación en un aparato de separación eléctricamente accionado para producir un agua producida, introducir otra porción del agua de desalinación en otro aparato de separación eléctricamente accionado en paralelo con el primer aparato para producir una segunda agua producida, y combinar las dos aguas producidas para generar un agua tratada. Al menos uno de la pluralidad de aparatos de separación eléctricamente accionados del subsistema pueden tener membranas selectivas a cationes monovalentes. El método puede comprender además calentar primero el agua de desalinación con una fuente de calor residual.
Las modificaciones y mejoras se pueden usar de manera individual, o en combinación. Los sistemas existentes de desalinación y los sistemas existentes de recuperación mejorada
de petróleo se pueden modernizar al proporcionar e implementar las modificaciones analizadas en la presente de acuerdo con una o más modalidades. Por ejemplo, un sistema existen de recuperación mejorada de petróleo puede comprender una unidad de osmosis inversa que tiene una entrada conectada para fluidos a una fuente de agua de desalinación y una salida en comunicación para fluidos con un yacimiento de petróleo. La unidad de osmosis inversa puede estar en una zapata. La zapata que soporta la unidad de osmosis inversa se puede reemplazar por un sistema de separación eléctricamente accionado de acuerdo con la presente descripción. Un sistema de recuperación mejorada de petróleo puede comprender una unidad de osmosis inversa y una unidad de nanofiltración . En lugar de reemplazar la unidad de nanofiltración, se puede modernizar un subsistema de separación eléctricamente accionado, en la plataforma en lugar de la unidad de osmosis inversa, corriente abajo de y en comunicación para fluidos con la unidad de nano-filtración . La unidad de nanofiltración puede pretratar el agua de desalinación tal que el sistema de separación eléctricamente accionado puede tener un espacio ocupado sustancialmente reducido y el sistema completo de recuperación de petróleo puede tener una espacio ocupado igual a o menor que el sistema de nanofiltración-ósmosis inversa. Los sistemas de recuperación mejorada de petróleo modernizados con los sistemas y métodos eléctricamente accionados pueden beneficiarse de la capacidad de ajustar la calidad del agua tratada en respuesta a
los cambios en el sistema.
De acuerdo con una o más modalidades, los sistemas y métodos de desalinación analizados en la presente se pueden usar para recuperación de petróleo en alta mar. De acuerdo con una o más modalidades diferentes, los sistemas y métodos de desalinación analizados en la presente se pueden usar en un campo de petróleo en o cerca del continente. De acuerdo con aun una o más modalidades adicionales, los sistemas y métodos de desalinación analizados en la presente se pueden usar en unión con cualquier recipiente móvil o flotador, tal como aquellos que se pueden dedicar a proporcionar servicios de soporte para plataformas de petróleo.
Las plantas de energía existentes también se pueden modernizar con sistemas de desalinación capaces de producir agua potable a menor energía que los sistemas tradicionales de desalinación, al proporcionar e implementar las modificaciones analizadas en la presente de acuerdo con una o más modalidades. Debido a que las plantas de energía no encuentran en general las mismas restricciones de espacio de las plataformas en alta mar, un sistema de separación eléctricamente accionado de acuerdo con una o más modalidades puede tener un mayor espacio ocupado para los propósitos de reducir el consumo de energía del sistema. Los sistemas y métodos descritos en la presente pueden producir agua potable a partir de agua de desalinación usada para enfriar operaciones de una unidad de planta de energía en un consumo
reducido de energía en comparación al tratamiento de agua de desalinación más fría. De acuerdo con una o más modalidades, el agua a una temperatura elevada, ya sea natural o calentada tal como por el uso para enfriamiento, se puede tratar con los sistemas y métodos descritos para generar un agua producida que cumpla con los requisitos de varias aplicaciones, tal como producir agua para inundación, agua potable, agua agrícola y otras .
La función y ventajas de estas y otras modalidades se pueden entender adicionalmente de los ejemplos posteriores que ilustran los beneficios y/o ventajas de uno o más sistemas, métodos y técnicas, pero no ejemplifican el alcance completo de la invención.
Ejemplo 1
Un sistema de separación, accionado por presión de inyección de agua que opera en una plataforma de petróleo de alta mar se evaluó para generar un punto de referencia al cual se pueden comparar los sistemas y métodos de la presente invención.
Con referencia a la figura 4, el sistema del estudio de sitio, el sistema 400, comprendió la unidad de nanofiltración 440, la unidad de nanofiltración 460 y la unidad de osmosis inversa 450. Una alimentación del agua de desalinación, pretratada 410 se dividió en las porciones 420 y 430. La porción 420 de agua de desalinación 410 se dirigió a la unidad de nanofiltración 440. La unidad de nanofiltración 440 produjo el
producto permeado 442 y el producto retenido 444. El producto retenido 444 entonces se dirigió a la unidad de nanofiltración 460. La unidad de nanofiltración 460 produjo el producto permeado 462 y el producto retenido de 464. Se descartó el producto retenido 464. La porción 430 del agua de desalinación 410 se introdujo en la unidad de osmosis inversa 450. La unidad de osmosis inversa 450 produjo el producto permeado 452 y el producto retenido 454. Se descartó el producto retenido 454. Los productos permeados 442, 462, y 452 se mezclaron para producir el agua producida 470. La tabla 1 muestra las composiciones del agua de desalinación, pretratada 510, los productos permeados de nanofiltración, mezclados 442 y 462, el producto permeado de osmosis inversa 452, y el producto mezclado 470.
Tabla 1
Debido a que el producto de ósmosis inversa 452 contuvo aproximadamente 13 mg/1 de dureza, se tiene que remineralizar con una fuente de dureza, tal como los productos de nano iltración
442 y 462. A fin de arribar a un producto que tiene las propiedades de la tabla 1, aproximadamente 70% del agua producida mezclada consistió de agua de ósmosis inversa 452 y el porcentaje restante consistió de agua de nanofiltración . El agua de desalinacion fue una fuente de agua de mar pretratada que tiene un contenido de sólidos totales disueltos de 35,095 mg/l y una temperatura de 4°C. El rendimiento del sistema fue de aproximadamente 12.0 MGD (millones de galones por día) y el sistema operó a aproximadamente 48% de recuperación de agua para producir aproximadamente 5.8 MGD. El sistema consumió aproximadamente 3.0 k h/m3 de agua producida y tiene un espacio ocupado 18.5 m2.
Ejemplo 2
Se llevó a cabo un estudio para evaluar la viabilidad de los sistemas de separación eléctricamente accionados para el uso en plataformas de petróleo de alta mar para producir un agua adecuada para métodos de recuperación mejorada de petróleo. La composición objetivo del agua tratada fue 1000 ppm a aproximadamente 5000 ppm de TDS, menos de aproximadamente 40 mg/1 de SO42", y una concentración de dureza de menos de aproximadamente 400 mg/1. Los resultados analizados en la presente representan proyecciones modelados con base a datos experimentales .
Con referencia al sistema 500 de la figura 5, una alimentación de agua de desalinación pretratada 510 se introdujo en el subsistema de separación 50 eléctricamente accionado. El subsistema 50 incluyó unidad de electrodiálisis 540 que tiene la celda de dilución 542 y la celda de concentración 544. La unidad de electrodiálisis 540 comprendió membranas de intercambio aniónico y catiónico normal. El subsistema 50 también incluyó la unidad de electrodiálisis 550 que tiene la celda de dilución 552 y la celda de concentración 55 . La unidad 550 tiene una membrana de intercambio aniónico normal y una membrana de intercambio catiónico selectivo monovalente.
Se introdujo en el subsistema 510 una alimentación de agua de desalación 510 pretratada mediante desinfección y remoción de partículas y se dividió en la porción 520 y en la porción 530. La porción 520 del agua de desalinación 510 se dividió adicionalmente en la corriente 522 y la corriente 524. La corriente 522 se introdujo en la celda de dilución 542 de la unidad de electrodiálisis 540 y la corriente 524 se introdujo en la celda de concentración 544 de la unidad de electrodiálisis 540. La unidad de electrodiálisis 540 produjo la corriente concentrada 565 y la corriente diluida 560. Las membranas de intercambio aniónico y catiónico normal de la unidad 540 removieron sustancialmente toda la dureza y sulfato de la corriente 522 para generar una corriente del producto 560 que tiene más iones monovalente que divalentes. Sin embargo, el sodio
da cuenta de la mayoría de los sólidos disueltos presentes en el agua de mar y es un ión monovalente no removido de manera preferencial por las membranas de intercambio iónico normal de la unidad 540. Aunque el producto 560 tiene baja dureza y sulfato, aun contuvo una concentración relativamente alta de sólidos totales disueltos.
La porción 530 del agua de desalinación 510 se dividió adicionalmente en la corriente 532 y la corriente 534. La corriente 532 se introdujo en la celda de dilución 552 de la unidad de electrodiálisis 550 y la corriente 534 se introdujo en la celda de concentración 554. La unidad de electrodiálisis 550 produjo la corriente concentrada 575 y la corriente diluida 570. La membrana de intercambio aniónico normal de la unidad 550 removió sustancialmente todo el sulfato de la corriente 532. La membrana de intercambio catiónico monovalente de la unidad de electrodiálisis 550 removió sustancialmente todos los cationes monovalentes de la corriente 532 pero no removió los cationes divalentes presentes en la corriente 532. La corriente 570 tuvo de esta manera un contenido bajo de sólidos totales disueltos y una al concentración de dureza debido a la remoción de solo cationes monovalentes y una baja concentración de sulfato debido a la presencia de la membrana de intercambio aniónico normal. Las corrientes concentradas 565 y 575 se rechazaron y las corrientes de producto diluido 560 y 570 se combinaron para formar el agua tratada 580.
Cuando la porción 520 del agua de desalinación 510 comprendió 90% del agua de desalinación 510, y la porción 530 del agua de desalinación 510 comprendió 10% del agua de desalinación 510, y el sistema operó a 40% de recuperación de agua, el agua tratada 580 tiene un contenido de sulfato de menos de aproximadamente 40 mg/1, un contenido de sólidos totales disueltos de aproximadamente 1000 ppm a aproximadamente 5000 ppm, y una concentración de dureza de aproximadamente 400 mg/1. La composición del agua fue dependiente del consumo de energía del sistema. Cuando el sistema se hizo de un tamaño para tener un espacio ocupado igual aquel del sistema de osmosis inversa-nanofiltración del ejemplo 1 y se usó para producir el agua que tiene un contenido de sólidos totales disueltos de menos de aproximadamente 5000 ppm, un contenido de sulfato de menos de aproximadamente 40 mg/1, y aproximadamente 400 ppm de dureza, el sistema fue capaz de producir más agua tratada que el sistema del ejemplo 1 al consumir aproximadamente 2.5 kWh/m3 de agua tratada, 17% menos energía que la consumida por el sistema del ejemplo 1. Ejemplo 3
El sistema del ejemplo 2 se analizó para determinar la relación entre el área superficial de membrana y el consumo de energía. El agua de desalinación que tiene 35, 683 de TDS a 10°C se trató para producir un agua tratada que tiene menos de aproximadamente 5000 ppm de TDS y concentraciones de dureza y sulfato adecuadas para inundación de agua. La figura 6 muestra
que el área superficial de membrana se disminuyó y se mantuvo constante la composición del agua tratada, se incrementó el consumo de energía. La tabla 2 presenta la relación entre la reducción en el espacio ocupado del sistema en comparación al sistema del ejemplo 1 y el consumo de energía.
Tabla 2
* Un metro cuadrado de espacio en una plataforma de petróleo de alta mar cuesta aproximadamente $1M (millón de dólares americanos ) .
Ejemplo 4
Un módulo de electrodiálisis de tamaño de laboratorio que tiene membranas de intercambio aniónico y catiónico normal se montó para analizar los ahorros de energía asociados con la desalinación de agua de desalinación caliente. El módulo tiene 16 pares de celdas con membranas que tienen un área en sección transversal efectiva de 3.18 cm2 por 35.56 cm2. Una solución de prueba de 3.5% en peso de cloruro de sodio se desaliñó con una
densidad de corriente aplicada de 88.6 Amp/m2. La calda de voltaje del módulo se midió usando pestañas laminadas de platino insertadas en los 10 pares intermedios de celdas. Los experimentos de desalinación se llevaron a cabo a tres diferentes temperaturas: 16°C, 22°C, y 37°C. La figura 7 ilustra la relación entre la caída de voltaje por par de celda y la conductividad de salida de la corriente diluida. Los datos experimentales demostraron que la caída de voltaje por par de celdas disminuyó cuando se incrementó la temperatura de la solución de alimentación .
Las figuras 8 y 9 ilustran el consumo de energía acumulada durante la desalinación. Las alimentaciones de la solución de NaCl al 3.5% que tiene temperaturas variables se desaliñaron a un TDS de aproximadamente 5,000 ppm. Conforme se incrementó la temperatura de alimentación, disminuyó el consumo de energía.
La figura 10 ilustra la relación entre la temperatura de alimentación y la resistencia de membrana. Conforme se incrementó la temperatura de alimentación, la resistencia eléctrica tanto de las membranas de intercambio catiónico como aniónico disminuyó. La reducción en la resistencia eléctrica de las membranas dio por resultado una menor caída de voltaje a través de las celdas, lo que se tradujo al consumo disminuido de energía visto en las figuras 8 y 9.
La relación entre la capacidad del sistema y
temperatura de alimentación entonces se analizó. Con referencia a la figura 11, conforme se incrementó la temperatura de alimentación, se incrementaron la densidad de corriente y la velocidad de flujo en tanto que se mantiene el sistema a un consumo constante de energía. A un consumo de energía de 2.2 kWh/m3, la velocidad de flujo, o capacidad, puede incrementarse 75% con la temperatura de del agua de alimentación que se incrementa de 20°C a 40°C, o 3.2% por grado Celsius, con referencia al valor a 25°C.
La estabilidad térmica de las membranas de intercambio aniónico y catiónico usadas en las celdas se valoró para determinar si las temperaturas incrementadas de alimentación provocan degradación de la membrana. Las membranas se expusieron a una solución de cloruro de sodio 0.5 M a 50°C. Después de 50 días de exposición continua, la resistencia en número de transporte de membrana pareció ser estables. La figura 12 ilustra los resultados de las pruebas de estabilidad de membrana en las membranas de intercambio iónico. Los resultados indicaron que las temperaturas pueden desaliñar agua caliente de desalinación sin dar por resultado degradación acelerada de la membrana.
Ejemplo 5
La figura 13 muestra la relación entre la temperatura, consumo de energía, y área de membrana requerida para desaliñar agua de mar a una concentración de sólidos totales disueltos de
5,000 ppm. El efecto de la temperatura del agua de mar en el intercambio entre el área de membrana requerida por velocidad de flujo de producto unitario (y por lo tanto el costo de capital del sistema de ED por velocidad de flujo unitario) y el consumo de energía por volumen unitario del producto se demostró. Si la temperatura de agua de mar natural fue 10°C y el calor residual estuvo disponible para aumentar su temperatura, entonces para un consumo objetivo dado de energía (kWh/m3 de producto), el costo de capital del sistema requerido disminuirá conforme se incremente la temperatura. Por el contrario, si el sistema de ED se diseñó para una velocidad dada de flujo, de modo que se mantuvo fija el costo de capital por velocidad de flujo unitario, se demostró que el incremento de la temperatura del agua de alimentación disminuirá el consumo de energía.
Se va a apreciar que las modalidades de los sistemas, aparatos y métodos analizados en la presente no se limitan en aplicación a los detalles de construcción y el arreglo de los componentes del aparato y operaciones del sistema como se expone en la descripción anterior o se ilustrada en las figuras anexas. Los aparatos, sistemas y métodos son capaces de implementación en otras modalidades y de ser practicados o de ser llevados a cabo de varias maneras. Los ejemplos de implementaciones específicas se proporcionan en la presente solo para propósitos ilustrativos y no se proponen para que sean limitantes. En particular, los sistemas, aparatos y características analizadas en unión con
cualquiera de una o más modalidades no se proponen que se excluyan de un papel similar en cualquier otra modalidad.
También, la fraseología y terminología usada en la presente es para el propósito de descripción y no se debe considerar como limitante. Cualquier referencia a modalidades o elementos o actos del aparato y métodos referidos en la presente en lo singular también puede abarcar modalidades que incluyan una pluralidad de estos elementos, y cualquier referencia en lo plural a cualquier modalidad o elemento o acto en la presente también puede abarcar modalidades que incluyan solo un elemento individual. El uso en la presente de "que incluye", "que comprende", "que tiene", "que contiene", "que comprende", y variaciones de esto se propone que abarque los puntos listados posteriormente y equivalentes de los mismos así como puntos adicionales. Cualquier referencia a una orientación espacial o de posición se propone por conveniencia de descripción, que no limite el presente aparato y métodos o sus componentes.
Habiendo descrito anteriormente varios aspectos de al menos una modalidad, se va a apreciar que varias alteraciones, modificaciones y mejoras se presentará fácilmente para aquellos expertos en la técnica. Estas alteraciones, modificaciones y mejoras se proponen que sean parte de esta descripción y se proponen que estén dentro del alcance de la invención. Por consiguiente, la descripción y dibujos anteriores son solo a manera de ejemplo.
Claims (24)
1. Un método para la recuperación mejorada de petróleo, caracterizado porque comprende: introducir agua de mar a un sistema de separación eléctricamente accionado; tratar el agua de mar con el sistema de separación eléctricamente accionado para producir agua tratada que incluye menos de aproximadamente 200 mg/1 de sulfato; y inundar al menos una porción de un yacimiento de petróleo con el agua tratada.
2. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el agua tratada incluye menos de aproximadamente 100 mg/1 de sulfato.
3. El método de conformidad con la reivindicación 2, caracterizado porque el agua de mar tratada incluye menos de aproximadamente 40 mg/1 de sulfato.
4. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque además comprende calentar el agua de mar introducida al sistema de separación eléctricamente accionado.
5. El método de conformidad con la reivindicación 4, caracterizado porque el calentamiento del agua de mar comprende enfriar un generador con el agua de mar.
6. El método de conformidad con la reivindicación 4, caracterizado porque el agua de mar se calienta a una temperatura por arriba de aproximadamente 45°C.
7. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el agua tratada tiene una dureza de aproximadamente 400 ppm.
8. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el agua tratada tiene un contenido de sólidos totales disueltos (TDS) en el intervalo de aproximadamente 1000 mg/1 a aproximadamente 5000 mg/1.
9. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el tratamiento del agua de mar comprende introducir el agua de mar a al menos un aparato de electrodiálisis en el sistema de separación eléctricamente accionado .
10. El método de conformidad con la reivindicación 9, caracterizado porque el tratamiento del agua de mar comprende hacer pasar una primera porción del agua de mar a través de un primer aparato de electrodiálisis para producir un primer producto de agua y hacer pasar una segunda porción del agua de mar a través de un segundo aparato de electrodiálisis para producir un segundo producto de agua.
11. El método de conformidad con la reivindicación 10, caracterizado porque además comprende mezclar el primero y segundo productos de agua para producir el agua tratada.
12. El método de conformidad con la reivindicación 10, caracterizado porque el hacer pasar la primera porción del agua de mar a través del primer aparato de electrodiálisis comprende remover una primera fracción de los iones de dureza y en donde el hacer pasar la segunda porción del agua de mar a través del segundo aparato de electrodiálisis comprende remover una segunda fracción de los iones de dureza.
13. El método de conformidad con la reivindicación 10, caracterizado porque el hacer pasar la primera porción del agua de mar a través del primer aparato de electrodiálisis comprende hacer pasar aproximadamente 90% del agua de mar que se va a tratar a través del primer aparato de electrodiálisis.
14. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la inundación de al menos una porción del yacimiento de petróleo con el agua tratada comprende remover aproximadamente 10% a aproximadamente 15% del petróleo dejado en el lugar después de una operación de recuperación primaria de petróleo .
15. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque además comprende realizar una operación de recuperación terciaria de petróleo.
16. El método de conformidad con la reivindicación caracterizado porque además comprende ajustar una velocidad flujo o una densidad de corriente asociada con el sistema separación eléctricamente accionado para controlar el consumo energía o al menos una propiedad del agua tratada.
17. Un sistema de recuperación secundaria de petróleo, caracterizado porque comprende: un yacimiento de petróleo; una fuente de agua de mar; y un subsistema de separación eléctricamente accionado que tiene una entrada conectada para fluidos a la fuente de agua de mar y una salida conectada para fluidos al yacimiento de petróleo, de subsistema de separación eléctricamente accionado construido y arreglado para producir agua que tiene menos de aproximadamente 200 mg/1 de sulfato.
18. El sistema de conformidad con la reivindicación 17, caracterizado porque el subsistema de separación eléctricamente accionado se construye y arregla para producir agua que tiene menos de aproximadamente 100 mg/1 de sulfato.
19. El sistema de conformidad con la reivindicación 18, caracterizado porque el subsistema de separación eléctricamente accionado se construye y arregla para producir agua que tiene menos de aproximadamente 40 mg/1 de sulfato.
20. El sistema de conformidad con la reivindicación 17, caracterizado porque el subsistema de separación eléctricamente accionado se construye adicionalmente y se arregla para producir agua que tiene una dureza de aproximadamente 400 ppm y un contenido de sólidos totales disueltos (TDS) en el intervalo de aproximadamente 1000 mg/1 a aproximadamente 5000 mg/1.
21. El sistema de conformidad con la reivindicación 17, caracterizado porque el subsistema de separación eléctricamente accionado comprende una primera unidad de electrodiálisis y una segunda unidad de electrodiálisis conectadas para fluidos en paralelo, en donde al menos una de la primera y segunda unidades de electrodiálisis incluye un membrana de intercambio catiónico selectivo monovalente.
22. El sistema de conformidad con la reivindicación 21, caracterizado porque aproximadamente 5% de las membranas de intercambio iónico en el subsistema de separación eléctricamente accionado son membranas de intercambio catiónico selectivo monovalente .
23. El sistema de conformidad con la reivindicación 17, caracterizado porque además comprende una fuente de calor residual térmicamente acoplada a la fuente de agua de mar.
24. El sistema de conformidad con la reivindicación 17, caracterizado porque además comprende un controlador configurado para ajustar al menos una de una velocidad de flujo o una densidad de corriente asociada con el subsistema de separación eléctricamente accionado.
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