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PROCESSAMENTO PRIMÁRIO DE PETRÓLEO E GÁS NATURAL ENGENHARIA DE PETRÓLEO E GÁS Prof. Roni F. Dalla Costa PROGRAMA DA DISCIPLINA: 1. Revisão de conceitos básicos 2. Características dos fluidos produzidos: óleo, gás, água, emulsões 3. Separação gravitacional bifásica e trifásica 4. Tratamento de óleo 5. Tratamento de água 6. Condicionamento do gás 7. Unidades marítimas de produção e instalações de superfície captação de água tratamento de água Manifold de Produção reinjeção tratamento de água descarte separação Óleo Água Gás poços produtores poços injetores O QUE É O PROCESSAMENTO PRIMÁRIO DE FLUIDOS? processamento de gás transferência (gasodutos) condicionamento compressão consumo: gás comb., GNV, etc. U P G N tratamento de óleo transferência (oleodutos, navios) consumo: gasolina, diesel, etc. refino re fi n a ri a O QUE É O PROCESSAMENTO PRIMÁRIO DE FLUIDOS? É o conjunto de operações realizadas junto aos campos de produção de petróleo com a finalidade de: 1) promover a separação do óleo, gás e água com impurezas; 2) tratar e condicionar os hidrocarbonetos para que possam ser enviados às refinarias ou UPGNs (Unidades de Processamento de Gás Natural); 3) tratar a água separada para enquadrá-la nos padrões de reinjeção ou descarte; De forma complementar, pode-se considerar ainda: 4) captar e tratar água (do mar) de forma a adequá-la para injeção nos reservatórios. Em unidades marítimas de produção e em estações terrestres de produção ONDE O PROCESSAMENTO PRIMÁRIO DE FLUIDOS É REALIZADO? 1. REVISÃO DE CONCEITOS BÁSICOS Exercício: 1.a. Defina massa específica. 1.b. Quais as unidades usuais da massa específica? 2.a. Defina densidade. 2.b. Quais as unidades usuais de densidade? kg/m3 g/cm3 é a razão entre as massas específicas de duas substâncias. Ex: razão entre a massa específica de um líquido a 20 C e a da água, a 4 C (d4 20) densidade é adimensional é a razão entre a massa de uma determinada substância e o volume que ela ocupa volume massa 1. REVISÃO DE CONCEITOS BÁSICOS Exercício: 3.a. O que é grau API? 3.b. Qual a densidade de um petróleo com 32 API? é uma escala de densidade definida pelo American Petroleum Institute como: 5,131 5,141 6060 Fd API R: d=0,865 1. REVISÃO DE CONCEITOS BÁSICOS Exercício: 3.a. Defina viscosidade. 3.b. Quais as unidades usuais da viscosidade dinâmica (ou absoluta)? 3.c. Como varia a viscosidade do petróleo em função da temperatura? 4.a. O que é perda de carga no escoamento de um fluido em uma tubulação? 4.b. Em que unidades costuma-se expressar a perda de carga? é a resistência de um fluido a uma força cisalhante “é a dificuldade de um fluido escoar” 1 kg/m.s = 1 Pa.s = 1000 cP para o petróleo, assim como para a maioria dos líquidos, a viscosidade diminui com o aumento da temperatura é o abaixamento da pressão total do fluido ao longo do escoamento em unidades de pressão (kgf/cm2, atm, bar) ou de comprimento (m ou m.c.a.) 1. REVISÃO DE CONCEITOS BÁSICOS Exercício: 5.a. Um líquido escoa com uma velocidade média de 2,7 m/s em uma tubulação cujo diâmetro interno é de 12 polegadas. Qual a sua vazão volumétrica? (1 polegada = 2,54 cm) 5.b. Se este fluido passa por um vaso esférico com 4 m de diâmetro antes de ser descartado, qual o tempo de residência do fluido neste vaso? D = 12 pol x 2,54 cm/pol = 30,48 cm = 0,3048 m A = (0,1524)2 = 0,07297 m2 Q = 0,07297 m2 x 2,7 m/s = 0,197 m3/s Q V 3 3 5,33 3 4 m r V min83,2170 /197,0 5,33 3 3 s sm m 1. REVISÃO DE CONCEITOS BÁSICOS Exercício: 6.a. O que é BS&W? 6.b. Um campo produtor tem uma vazão de óleo de 90.000 bpd nas condições padrão de superfície. Considerando que o BS&W é de 35 %, calcule a vazão de água produzida. É o que não é petróleo em uma amostra líquida de petróleo, ou seja, água e sedimentos eventualmente presentes. 100100& x V V x VV V WBS t a ao a Onde: Vo = volume de óleo Va = volume de água e sedimentos Vt = volume total 000.90 35,0 a a Q Q 0,35 Qa+31500 = Qa Qa= 48461 bpd 2. CARACTERÍSTICAS DOS FLUIDOS PRODUZIDOS Nas jazidas de hidrocarbonetos, os fluidos (óleo, água e gás) se distribuem em diferentes camadas, em função das suas diferentes densidades. Embora a separação das camadas não seja bem definida, normalmente a camada superior é constituída de gás natural, a intermediária de óleo e a inferior de água. O petróleo encontra-se ocupando os espaços porosos da rocha- reservatório, ou seja, a rocha está “encharcada” com o óleo. 2. CARACTERÍSTICAS DOS FLUIDOS PRODUZIDOS Uma mistura dos 3 fluidos (água, óleo e gás) é normalmente produzida. Dependendo da localização dos canhoneados e do tempo em que o poço está em produção, a proporção destes 3 fluidos irá variar. Em geral se observa um aumento do BS&W produzido ao longo do tempo A vazão de gás produzido depende, entre outros fatores, do mecanismo de produção do reservatório 2. CARACTERÍSTICAS DOS FLUIDOS PRODUZIDOS Poço produtor grande diferença de massa específica em relação à fase líquida gás óleo deve ter teor de impurezas compatível com as especificações: água livre separação relativamente fácil emulsão separação difícil: desemulsificantes, equipamentos apropriados água dissolvida pequena quantidade: presença tolerada no petróleo sólidos areia, argila, produtos de corrosão, precipitados, etc. Necessidade de remoção do sistema. BS&W: 0,5 % ; Sal: 285 mg/L (100 ptb) 2. CARACTERÍSTICAS DOS FLUIDOS PRODUZIDOS Água da formação: água originalmente presente no reservatório. Apresenta composição química característica. Água injetada (água do mar): água utilizada para injeção em reservatórios após processos de tratamento. Composição química definida. Água produzida: água produzida pelos poços juntamente com o óleo. Composição variável ao longo do tempo. Mistura em proporções variáveis de água da formação e água do mar (água injetada). ÁGUA: 2. CARACTERÍSTICAS DOS FLUIDOS PRODUZIDOS salinidade varia fortemente de reservatório para reservatório; composição altamente variável; freqüentemente contém microorganismos (ex: bactérias redutoras de sulfato (BRS), que podem gerar produtos corrosivos em seu metabolismo); pode conter gases dissolvidos (carbônico, sulfídrico, hidrocarbonetos leves); normalmente contém sólidos em suspensão. altos teores de sais dissolvidos: até várias vezes mais salgada do que a água do mar (35.000 mg/L); Resumindo, a água contém: Sólidos dissolvidos Sólidos suspensos Gases dissolvidos Microorganismos ÁGUA: 2. CARACTERÍSTICAS DOS FLUIDOS PRODUZIDOS ÁGUA: Íons * Água do Mar Campo A Campo B Campo C Campo D Campo E Na+ 10.700 – 11.500 37.600 20.000 33.500 24.960 65.000 K+ 472 – 564 670 102 554 850 410 Ca2+ 393 – 427 3.030 818 2.760 2.160 7.100 Mg2+ 1.180 – 1322 362 325 374 760 800 Ba2+ 0,05 – 0,08 0 46 229 12 44 Sr2+ 5,8 – 5,6 532 198 415 164 580 Cl- 20.020 – 20.820 58.700 33.700 59.100 45.500 116.982 SO4 2- 2.810 – 2.960 68 <5 14 - - HCO3 - 134 – 155 540 390 837 913 20 CO3 2- Nm 0 0 131 0 0 S.T.D. 35.500 101.478 55.580 98.270 75.300 190.936 pH 7,6 – 8,3 6,7 7,6 6,5 6,8 6,4 Exemplos de composição da água produzida em diversos campos e comparação com a composição da água do mar 2. CARACTERÍSTICAS DOS FLUIDOS PRODUZIDOS ÁGUA: Devido à ausência de oxigênio, a água produzida pode estar contaminada com bactérias anaeróbicas. Dentre estas, as mais preocupantes são as Bactérias Redutoras de Sulfato (BRS). (ex: Desulfovibrio desulfuricans). Problemas devidos à presença de BRS: 1) Acidulação biogênica dos reservatórios (souring) e consequente produção de fluidos contaminados com H2S; 2) Corrosão dos equipamentos e instalações. Pode ser devida ao próprio H2S, ou à presença das bactérias (corrosão microbiologicamente induzida). 3) Riscos de geração localizada de ácido sulfídrico em tanques onde ocorra acumulação de água produzida (tanques de slop, tanques de carga de FPSOs, tanques de navios de transporte, etc.) 2. CARACTERÍSTICAS DOS FLUIDOS PRODUZIDOS ÁGUA: Outros efeitos decorrentes da presença de água: INCRUSTAÇÕES INORGÂNICAS Incrustações inorgânicas: são depósitos minerais duros que precipitam de uma solução salina. A precipitação ocorre quando a água fica com uma quantidade de sais acima do limite de solubilidade para um determinado sal. Isso pode ocorrer por dois motivos principais: 2. CARACTERÍSTICAS DOS FLUIDOS PRODUZIDOS ÁGUA: 1. Mudança na composição da água devido à injeção no reservatório de água com propriedades incompatíveis (água do mar). Ex: precipitação de sulfato de bário. Água do mar ≈2800 mg/L de SO4 2- Água do reservatório Ba2+ Sr2+ BaSO4 ; SrSO4 Incrustações Perda de produção Danos a equipamentos Dificuldades operacionais 2. CARACTERÍSTICAS DOS FLUIDOS PRODUZIDOS ÁGUA: 2. Mudança nas condições termodinâmicas da água (T e P): despressurização e aquecimento da água precipitação de carbonato de cálcio Ca++ + 2 HCO3 – CaCO3 + H2O + CO2 precipitado de carbonato de cálcio Incrustações de carbonato de cálcio dissolve em ácido (borbulha) Incrustações de sulfato de bário insolúvel em ácido 2. CARACTERÍSTICAS DOS FLUIDOS PRODUZIDOS ÓLEO: É a parte dos hidrocarbonetos que permanece no estado líquido quando uma mistura líquida de hidrocarbonetos é levada das condições de reservatório para as condições de superfície. O petróleo é composto basicamente por uma mistura de compostos químicos orgânicos, os hidrocarbonetos, além de alguns compostos contaminantes. Os hidrocarbonetos são moléculas formadas por Carbono e Hidrogênio (HC). Os contaminantes são compostos que podem conter outros átomos como S, O, N, etc. 2. CARACTERÍSTICAS DOS FLUIDOS PRODUZIDOS Quanto menor o API do óleo, maior tende a ser a viscosidade e o teor de agentes emulsionantes presentes, o que aumenta as dificuldades do processamento primário do petróleo (exige maiores temperaturas de separação e tratamento). ÓLEO: Petróleo °API Urucu 48,5 Sergipano Mar 43,7 Alagoano 37,9 Albacora 28,3 Roncador 27 Barracuda 25 Marlim Sul 23,1 Marlim 22,8 Albacora Leste 18,2 Alto do Rodrigues 17 Jubarte 16,8 Papa Terra 13 Outras características relevantes do petróleo: - Teor de parafinas; - Acidez; - Teor de asfaltenos; - Teor de heteroátomos (S, O, N); - Tendência à formação de espuma. 2. CARACTERÍSTICAS DOS FLUIDOS PRODUZIDOS ÓLEO: Fonte: McCain, Jr., W.D. (1990), The properties of petroleum fluids, 2nd ed., PennWell Books, PennWell Publishing Co., Tulsa, OK. p. 330. Variação da viscosidade de um determinado tipo de petróleo em função do seu API e da temperatura. Nas atividades de tratamento e transferência do petróleo é de grande importância conhecer a viscosidade do mesmo, pois o dimensionamento dos equipamentos, tubulações e bombas fica condicionado à força que precisa ser vencida para promover o escoamento. 2. CARACTERÍSTICAS DOS FLUIDOS PRODUZIDOS GÁS: Gás natural é o nome dado às misturas de hidrocarbonetos que, quando nas condições de superfície, se apresentam na forma gasosa. No reservatório estas misturas podem se apresentar tanto na forma gasosa como dissolvida no óleo. COMPOSIÇÃO: Fração leve do petróleo, i.e., HC gasosos @ T, P ambiente Composição: Metano (CH4) ao Heptano (C7H16) ou mais.... com C1≈ 80% e C2 ≈ 10% (volume molar). outros: N2, vapor d’água, H2S, CO2 Poder calorífico: 8.000 a 10.000 kcal/m3 Densidade ≈ 0,7 @ 20ºC 2. CARACTERÍSTICAS DOS FLUIDOS PRODUZIDOS GÁS: Riqueza do gás natural: é a soma das porcentagens volumétricas ou de quantidade de matéria de todos os componentes a partir do propano, inclusive. (Riqueza = C3+) Gás Rico: C3+ ≥ 7% (vol) Gás Pobre: C3+ < 7 % (vol) GásGás Óleo + GásÓleo + Gás ÁguaÁgua Gás Livre Gás em Solução Gás Não Associado Gás Associado Origem: reservatório produtor de gás (ex: Mexilhão, Manati) Origem: reservatório produtor de óleo (em solução ou capa de gás) Gás Gás Óleo + Gás Óleo + Gás Água Água Gás Livre Gás em Solução 2. CARACTERÍSTICAS DOS FLUIDOS PRODUZIDOS GÁS: O Gás Natural e o petróleo são misturas de substâncias semelhantes quimicamente e normalmente coexistem em uma única fase ou em fases separadas. Assim, há sempre um pouco de gás dissolvido no petróleo e pode-se obter petróleo (condensado) a partir do gás natural. A quantidade de gás dissolvido no petróleo ou de condensado que pode ser obtido do gás natural vai depender das condições de temperatura e pressão, além das características do petróleo e gás. Assim, a partir do momento em que sai do reservatório até sua chegada na superfície, parte dos componentes leves do petróleo (gás dissolvido) passam para a fase gasosa. 2. CARACTERÍSTICAS DOS FLUIDOS PRODUZIDOS GÁS: Redução de pressão ou aumento de temperatura liberação do gás dissolvido no petróleo Aumento da pressão ou redução de temperatura Formação de condensado a partir do gás natural Ponto de bolha Ponto de orvalho OBS: Para substâncias puras (ex.: água): ponto de orvalho = ponto de bolha Para misturas (ex.: petróleo ou gás): ponto de orvalho ≠ ponto de bolha De um modo simplificado, pode-se dizer que: 2. CARACTERÍSTICAS DOS FLUIDOS PRODUZIDOS GÁS: Razão Gás-Óleo (RGO): é o quociente entre a vazão instantânea de gás pela vazão instantânea de óleo, ambas medidas em condições padrão de superfície. Condições padrão: variam de país para país e podem ter diferentes unidades. Ex.: no Brasil (ANP): 1 atm e 20 C nos EUA: 14,7 psia (1 atm) e 60 F vazão instantânea de gás RGO = vazão instantânea de óleo A estabilização do óleo é parte importante do processamento primário de petróleo e consiste na remoção dos componentes leves da mistura de hidrocarbonetos, reduzindo a pressão de vapor até os níveis desejados, minimizando a vaporização durante as etapas de transferência e estocagem. 2. CARACTERÍSTICAS DOS FLUIDOS PRODUZIDOS ASSOCIAÇÕES DAS FASES: Durante as operações de produção, processamento primário e transporte de óleo e gás, as três fases (água, óleo e gás) podem se associar em diferentes formas, provocando dificuldades operacionais:
