Producción de petróleo: Filtración y producción eficiente de petróleo

Ken Sutherland analiza la importancia de los filtros en la producción de petróleo crudo, tanto en tierra como en alta mar.

La producción de petróleo es básicamente un proceso muy simple: se perfora un agujero en la corteza terrestre (en tierra o bajo el mar) hasta que se alcanza una formación rocosa que contiene petróleo, después de lo cual el petróleo es forzado a subir por el agujero perforado hasta el superficie. El consiguiente "chorro" es un espectáculo familiar para los lectores de revistas o los cinéfilos. El proceso real es mucho más complejo que esto, pero la primera etapa de la producción de petróleo puede considerarse de esta manera simple, con la presión natural de la siendo suficiente la zona subterránea para empujar el petróleo a la superficie, en lo que se conoce como la fase primaria de producción. Eventualmente, la presión cae a medida que se extrae el petróleo y la tasa de producción comienza a disminuir. En este punto, la descarga de petróleo es impulsada por el uso de bombas de fondo de pozo, aunque tales bombas (como el conocido "burro que asiente con la cabeza") generalmente se habrán instalado y pueden haber sido utilizadas desde el inicio de la operación. Cuanto más profunda sea la formación petrolífera, más probable será que se necesite algún tipo de levantamiento artificial. Cuando el flujo de petróleo que sale de la formación rocosa hacia el fondo del pozo es demasiado bajo para su posterior descarga mediante bombeo, entonces ese es el final. de la fase de producción primaria. La cantidad de petróleo producido en esta fase primaria puede ser tan pequeña como el 10% del contenido total del yacimiento y hasta el 30%. Para la mayoría de los pozos de producción, el petróleo se recupera como una mezcla con agua, y esta "agua producida" puede ser hasta cinco veces, o más, el volumen de petróleo recuperado. Entonces, un importante proceso en boca de pozo es la separación del petróleo del agua producida que lo acompaña. A medida que las tasas de producción bombeada comienzan a disminuir, el proceso de producción de petróleo puede pasar a una fase secundaria, en la que se inyecta un fluido en el yacimiento para volver a presurizarlo y forzar la salida de una mayor cantidad del petróleo contenido. Esto se puede hacer por inyección de agua o por inyección de gas. En la inyección de agua, se inyecta agua limpia filtrada en la capa de roca a través de pozos de inyección especialmente perforados (oa través de pozos de producción en desuso), para empujar el petróleo residual a lo largo de los pozos operativos. Una inyección de gas en el casquete de gas por encima de la formación logra el mismo efecto. La producción primaria y secundaria juntas pueden recuperar un total de 15 a 40% del petróleo original en el yacimiento. Cuando la producción comienza a caer al final de la fase secundaria, se puede embarcar en una fase terciaria, también llamada recuperación mejorada de petróleo (EOR). ) – aunque esto todavía se usa solo en una minoría de casos. La EOR puede emplear métodos específicos de inyección de gas o térmicos, como la inyección cíclica de vapor o la inyección de vapor, o incluso, en casos extremos, la combustión in situ. Entre los procesos específicos de inyección de gas está el uso de dióxido de carbono, que luego ofrece un medio muy valioso de secuestro de carbono. La inyección microbiana, aunque todavía es un método en desarrollo, muestra una gran promesa para el futuro. Mediante el uso de EOR, la recuperación total de una formación rocosa que contiene petróleo se puede aumentar entre un 30 y un 60 % o más. Este proceso de producción de tres etapas se aplica al petróleo líquido atrapado bajo tierra, que se puede bombear a la superficie. Una proporción significativa de las reservas mundiales totales de combustibles de hidrocarburos (algunos dicen que tanto como las actuales reservas probadas totales de petróleo líquido) existen como arenas bituminosas, en forma de una mezcla de petróleo pesado y betún con arena. Grandes depósitos de este material se encuentran en Canadá, y la producción de petróleo crudo "sintético" a partir de ellos es ahora un proceso bien establecido. Si los depósitos están en la superficie o cerca de ella, se utiliza la minería a cielo abierto, seguida del procesamiento con agua caliente y la flotación para liberar el petróleo. Para depósitos subterráneos, la recuperación se logra mediante inyección de agua caliente.

Grandes flujos de líquidos y gases de varios tipos están involucrados en la producción de petróleo, pero antes de ver las necesidades de filtración de estos flujos, se debe hacer una breve mención de las suspensiones líquidas utilizadas en el proceso de perforación original, ya que el petróleo no se puede producir desde el subsuelo. hasta que haya un pozo perforado disponible a través del cual pueda pasar. A medida que la broca se mueve hacia abajo, está rodeada por una suspensión líquida espesa de materiales arcillosos, el lodo de perforación, cuyos propósitos incluyen: • enfriar y lubricar la broca, • transportar los fragmentos de roca a la superficie, • aplicar presión a las paredes del pozo perforado para evitar el colapso, y • minimizar la pérdida de fluido a través de formaciones rocosas permeables al formar un revoque de filtración sobre las superficies de estas formaciones. Aunque no está específicamente involucrado en la recuperación de petróleo , los lodos de perforación son una parte vital del proceso general de producción de petróleo y tienen aplicaciones importantes para la filtración, en su formulación inicial y en su reciclaje, para eliminar fragmentos de roca. Los lodos de perforación son una mezcla compleja y, por lo tanto, tienen un costo inicial costoso, por lo que tiene sentido económico reciclarlos con la mayor frecuencia posible, lo que crea una tarea bastante exigente para el filtro de reciclaje de lodo: eliminar el máximo contenido de fragmentos de roca de el lodo devuelto, cambiando la composición básica lo menos posible.

Será evidente a partir de las descripciones anteriores que los procesos de recuperación de petróleo involucran grandes flujos de líquidos y gases, la mayoría de los cuales tienen necesidades esenciales de filtración y/o sedimentación para separar el petróleo del agua y el líquido o el gas de los sólidos. El flujo de líquido más importante es, por supuesto, el petróleo crudo transportado por el pozo para su tratamiento en la superficie (o en la plataforma de producción de petróleo). Este es transportado por un flujo de agua producida, al menos tan grande como el flujo de petróleo, y generalmente mucho mayor. Con frecuencia, también habrá un flujo de gas natural asociado desde el yacimiento de petróleo, o puede haber un flujo de gas que se esté utilizando para extraer el gas del subsuelo. Si el pozo está en producción de fase secundaria, habrá una gran flujo de agua necesario para la inyección de agua, o posiblemente un flujo de gas para presurizar el yacimiento. En la fase terciaria, los distintos procesos de recuperación mejorada de petróleo también tendrán sus flujos de fluidos operativos, especialmente para la inyección de gas, siendo los flujos de dióxido de carbono cada vez más importantes como parte de los esquemas de separación y secuestro de carbono requeridos para combatir el calentamiento global. Aunque la producción de petróleo a partir de las arenas bituminosas no se acercan, a escala mundial, a las del petróleo crudo bombeado, sus tasas de flujo de fluidos aumentarán a medida que se desarrollen las reservas. Estos incluirán, además del petróleo producido, las aguas residuales del procesamiento de arenas a cielo abierto, o la recuperación de petróleo del subsuelo.

La recuperación de petróleo crudo del subsuelo requiere un tratamiento de separación en dos lugares principales: en el fondo del pozo y en la cabeza del pozo. En el espacio muy restringido en el fondo del pozo productor, la filtración sólido/líquido es necesaria para evitar el paso hacia arriba de la tubería del pozo de la mayor cantidad posible de sólidos en suspensión. Esto lo hace la rejilla del pozo, una zona de material perforado que se construye en el extremo de la tubería del pozo o se ajusta como un manguito sobre una parte perforada muy gruesa de la tubería. La pantalla de pozo es una forma especializada de filtro y, por supuesto, se utiliza para la producción de agua y petróleo). Puede estar hecho de malla de alambre, alambre enrollado, placa perforada o material de fibra de metal poroso. En el sitio web de Weatherford/Johnson Screens (www.weatherford.com) se puede ver una buena variedad de diseños típicos de pantallas. El diseño de la pantalla del pozo se adaptará a la naturaleza de la formación rocosa y al tamaño de las partículas sólidas para ser retenido, que generalmente es de 50 μm o más. Los objetivos principales de esta etapa de filtración son evitar el bloqueo en la tubería del pozo y proteger cualquier bomba que se esté utilizando en el fondo del pozo para llevar el petróleo a la superficie. La arenisca es la roca que contiene petróleo más común, por lo que es más probable que las partículas de arena sean las sólidas que deban eliminarse. La arena, que puede variar en tamaño de partícula de 100 a 400 μm, puede ser muy abrasiva, tanto para las bombas como para la tubería que transporta petróleo. La apertura de la pantalla es fundamental en este sentido: si es demasiado grande en relación con el tamaño de las partículas de arena, el caudal de aceite será mayor, pero demasiada arena penetrará en la pantalla, mientras que si está demasiado cerca del tamaño de las partículas, el aceite estar muy limpio, pero la tasa de flujo será baja y la pantalla puede bloquearse rápidamente. Por lo tanto, es necesario elegir cuidadosamente el tipo de pantalla y el tamaño de apertura para evitar seleccionar la pantalla incorrecta. Las pantallas perforadas y las mallas de alambre tejidas brindan una apertura más precisa y uniforme que una estera de fibras metálicas no tejidas. Una vez que el petróleo llega a la superficie, hay más espacio de trabajo para cualquier filtración requerida, y el principal requisito de separación es recuperar el petróleo crudo. de su mezcla con el agua producida. Esto se lleva a cabo muy a menudo en separadores líquido/líquido que trabajan por sedimentación, casi seguro en separadores de láminas para instalaciones en alta mar donde no se dispone de mucho espacio. Las economías de producción dictan que esta separación debe ser lo más eficiente posible, ya que el agua separada puede desperdiciarse, llevándose consigo cualquier aceite sin separar. En el separador líquido/líquido también se separará una cantidad adicional de sólidos en suspensión, y esto puede ser suficiente remoción de sólidos para permitir que el petróleo separado sea transportado a su destino final de refinería sin bloquear o dañar el sistema de transporte. De lo contrario, será necesaria una mayor filtración en la cabeza del pozo, aunque las tasas de flujo serán altas y los filtros deberán limpiarse automáticamente (o manualmente). Los filtros de hoja a presión se utilizan con frecuencia para este propósito.

El agua producida en un yacimiento petrolífero puede ser varias veces mayor que la cantidad de petróleo crudo asociado con él, y si se va a desechar en el entorno circundante (especialmente en el mar), deberá limpiarse a fondo del petróleo en suspensión. y sólidos, en común con cualquier otro requisito de descarga de aguas residuales. Sin embargo, si el pozo de petróleo está en una operación secundaria de inyección de agua, entonces obviamente tiene sentido que el agua necesaria provenga de la producida por el pozo. Esta agua se inyectará en un depósito subterráneo y debe poder fluir a través de ella. los pequeños pasadizos en la roca. Esto significa que tendrá que ser filtrado libre de sólidos finos, posiblemente hasta 2 μm en el punto de inyección (aunque no habrá necesidad de separar el aceite tan a fondo). Cuando hay espacio para hacerlo, esta filtración se puede lograr mediante filtros de lecho profundo ("arena"), casi con certeza utilizando lechos multimedia para una operación más eficiente. Para operaciones grandes, una filtración de dos etapas puede tener sentido, con un límite de 10 μm para el flujo de agua a través del equipo superior y una filtración adicional de hasta 2 μm o menos en el punto de inyección. Existe un tratamiento de agua muy diferente en la producción de petróleo a partir de arenas bituminosas. Aquí el agua se usa, caliente, para procesar las arenas, para producir un efluente de agua con alto contenido de arena. No existe un equivalente a la inundación con agua, por lo que solo es necesario cuando se recicla al proceso de producción principal. Se necesitará filtración, aunque solo para proteger el equipo operativo.

El gas natural producido en asociación con el petróleo crudo normalmente no presentará un problema de filtración, al menos de los sólidos, aunque puede necesitar la separación del aceite o las gotas de agua. Sin embargo, hoy en día existe una necesidad creciente de inyección de gases en los estratos subterráneos para mejorar las tasas de producción de petróleo. Esto puede ser en el casquete de gas sobre el reservorio, cuando la necesidad de filtración es baja, o directamente en la formación rocosa, como un proceso mejorado de recuperación de petróleo y como un método de secuestro para la eliminación de dióxido de carbono. La inyección directa de gases requerirá que estén libres de sólidos en suspensión, posiblemente hasta el mismo nivel de tamaño que en el caso de la inyección de agua, es decir, alrededor de 2 μm. Esto se hará en el mismo tipo de filtros que se utilizan para las tomas de los motores, por ejemplo, utilizando paneles de filtro minipleat de bloque en V. El proceso de producción de petróleo es un buen mercado para los equipos de filtración y sedimentación. Aunque algunas partes, la producción primaria, están relativamente maduras, otras, en particular el procesamiento terciario y la recuperación de arenas bituminosas, todavía tienen un gran crecimiento por delante.

Contacto:Ken SutherlandTel: +44 (0)1737 218868Correo electrónico: [email protected] Ken Sutherland ha administrado Northdoe Limited, su consultoría de marketing e ingeniería de procesos, durante más de 30 años. Northdoe se ocupa esencialmente de la filtración y los procesos de separación relacionados. Ha escrito numerosos artículos para Filtration & Separation y para Filtration Industry Analyst, y también cuatro libros sobre procesos de separación, más recientemente A to Z of Filtration y la quinta edición del Filters & Filtration Handbook, ambos para Elsevier.