ANÁLISES COMPARATIVAS DOS VALORES DE SEDIMENTOS BÁSICOS E ÁGUA EM AMOSTRAS DE PETRÓLEO

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1 UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE CENTRO DE TECNOLOGIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA PROGRAMA DE RECURSOS HUMANOS DA AGÊNCIA NACIONAL DO PETRÓLEO ANÁLISES COMPARATIVAS DOS VALORES DE SEDIMENTOS BÁSICOS E ÁGUA EM AMOSTRAS DE PETRÓLEO Período: De 01 DE SETEMBRO DE 2006 A 28 DE FEVEREIRO DE 2007 Bolsista: RODRIGO BRAGA DIAS (Categoria GRA) Orientador: Prof. Dr. JOSÉ UBIRAGI DE LIMA MENDES FEVEREIRO/2007

2 Sumário Lista de figuras...3 Lista de tabelas...3 Lista de símbolos...3 Resumo Introdução Revisão bibliográfica Medição da vazão de óleo e determinação do BS&W Determinação do BS&W a partir da pressão estática do fluído Agentes emulsificantes Estabilidade das emulsões Fundamento teórico Metodologia Cronograma Resultados e análise Conclusões Referencias bibliográficas...14

3 LISTA DE FIGURAS Figura 1: Tanque cilíndrico contendo hidrocarbonetos. LISTA DE TABELAS Tabela 1-Velocidade de rotação aplicáveis para centrifugas de vários d. Tabela 2 Aproximação de leitura LISTA DE SIMBOLOS BS&W Sedimentos Básicos e Água RGO razão gás-óleo RAO razão água-óleo BS&We BS&W da emulsão Qo vazão de óleo Qb vazão bruta ρa peso específico da água ρo peso específico do óleo da densidades da água do densidade do óleo

4 RESUMO Trata da descrição dos trabalhos realizados como parte das atividades relativas ao projeto Análises Comparativas dos Valores dos Sedimentos Básicos e Água (BS&W - basic sediments and water) nas Amostras de Petróleo, do Programa PRH 14, visando determinar resultados de BS&W de amostras de petróleo obtidas para o Laboratório de Mecânica dos Fluidos LMF, localizado na UFRN. Para a realização desse objetivo foi utilizado o método da centrifugação para obtenção do BS&W, procurando adquirir o máximo de conhecimento sobre a técnica e sobre os assuntos que se relacionam com essa área na indústria do petróleo, resultando na formação de uma boa prática e aquisição de um bom arcabouço teórico. Palavras Chave: Petróleo, Avaliação, BS&W.

5 1-INTRODUÇÃO O trabalho consiste em determinar o valor do BS&W das amostras de petróleo extraídas de campos potiguares, fornecidas pela Petrobras. E em conjunto com isso, esse trabalho tem o objetivo de fazer um estudo sobre a técnica da centrifugação para a obtenção do BS&W e sobre os componentes que envolvem a técnica. No processo de extração do petróleo é comum a presença de água por dois motivos principais: um é que a presença se dê devido às próprias características do reservatório e o outro motivo é devido à injeção de água ou vapor no processo de recuperação secundária do reservatório. A presença de sedimentos é basicamente devido às características da formação nos reservatórios. Por esse motivo devem ser analisadas tanto as vazões como o BS&W dos poços periodicamente. Essas avaliações além de informar o que realmente está sendo produzido geram um histórico de produção do reservatório, que é de fundamental importância para se fazer uma previsão do comportamento futuro do reservatório. O trabalho de determinação do BS&W em laboratório está sujeito a incertezas no momento da medição, por esse motivo é também importante ter conhecimento sobre o cálculo da incerteza das medições de volume para ter noção do tamanho do erro que se comete ao fazer tais medições.

6 2-REVISÃO BIBLIOGRÁFICA Atualmente o BS&W é verificado através de monitoração continua a partir de amostras coletadas na cabeça do poço, em vasos separadores, ou a partir de amostras coletadas em tanques. A forma de verificação irá depender das características de fatores como; o campo produtor, os custos envolvidos e as facilidades de produção desse campo. Existem diversas técnicas para se determinar o BS&W e dentre elas podemos destacar: Micro-ondas: Esse método baseia-se na medição do comprimento e do ângulo de fase de uma onda que trafega através do fluido óleo-água. Essa onda varia de acordo com a fração de água da mistura; Condutividade elétrica: Esse método usa um sensor indutivo, que mede a condutividade elétrica da mistura, correlacionando-a com a quantidade de água presente nessa mistura; Aceleração de Coriolis: Esse método consiste na medição da torção, de um tubo em forma de U, que é proporcional à massa especifica do fluido que escoa no seu interior. Nesse método é necessário conhecer as massas especificas do óleo e da água na mistura. Esses métodos são muito sensíveis à homogeneidade da mistura e à presença de gás, além disso, os custos dos medidores que utilizam esses princípios são relativamente altos quando utilizados em poços de baixa produtividade. Dessa forma, esses medidores são indicados para instalações que têm processo primário de tratamento, poços de alta produtividade e baixa disponibilidade de espaço para instalação das facilidades de produção. Também é utilizado o método da coleta de amostras na cabeça do poço ou no vaso separador de testes, que consiste em coletar uma pequena amostra e enviá-la para um laboratório onde lá através de processos de aquecimento e centrifugação se conseguirá obter a separação da água presente no óleo, e a partir daí medir o BSW. Nesse processo a vazão total é medida por medidores de vazão convencionais. Existe ainda o método de coleta de amostras em tanques de testes. Nesse método uma amostra, de maior volume, é armazenada no tanque e após um determinado período de repouso a vazão é calculada a partir da medição da variação do volume do fluido no tanque e do tempo de coleta. O BS&W é calculado a partir da medição da interface água-óleo e do BS&W da emulsão água-óleo. Sendo que neste método a medição da interface é feita através de visores de níveis ou a partir da água livre.

7 Laboratorialmente também se pode medir o BS&W do petróleo através de destilação utilizando um desemulsificante. A água que está associada ao petróleo apresenta-se de três formas: ÁGUA LIVRE Como a água e o óleo são líquidos imiscíveis e desde que o volume de água seja tal que não haja tempo suficiente para um íntimo contato com o óleo, uma parte da água escoa junto com o óleo, porém em fases diferentes. Neste caso a separação entre as fases é obtida por decantação. ÁGUA EMULSIONADA Havendo uma mistura muito íntima entre a água e o óleo, devido ao escoamento turbulento ou a ação cisalhante criada por bombas, válvulas, etc., parte da água será dispersa no óleo em gotículas muito pequenas dando origem a uma emulsão água-óleo. ÁGUA SOLÚVEL Embora sejam considerados líquidos imiscíveis, existe uma pequena solubilidade da água em óleo. Esta solubilidade é função da temperatura e do tipo de hidrocarboneto. Esta água só se separa do petróleo por destilação. Existem algumas relações dentro da engenharia de produção de petróleo que são utilizadas como indicadores tanto das características como dos estágios da vida produtiva dos reservatórios. Os mais utilizados são a razão gás-óleo RGO, a razão água-óleo RAO e o BSW. O BSW é quociente entre a vazão de água mais os sedimentos e a vazão total de líquidos. Para os campos petrolíferos que não produzem sedimentos o BSW significa a razão entre a vazão de água e a vazão total de óleo+água, também chamada de vazão bruta. É uma prática usar o termo BSW como o equivalente a fração de água quando o teor de sedimentos é desprezível. 2.1-MEDIÇÃO DA VAZÃO DE ÓLEO E DETERMINAÇÃO DO BSW Um dos métodos utilizado em larga escala, nos campos petrolíferos terrestres, para determinação da vazão bruta, óleo+água, e do BSW de um poço é feito através dos usos de tanques que recebem a produção desse poço por um determinado período. A determinação da vazão bruta do poço é obtida através da razão de uma determinada variação de volume do tanque pelo tempo correspondente. A determinação do BS&W de cada poço é feita em duas etapas: A primeira etapa, que é feita no campo, determina o volume de água livre através da medição da água drenada para uma caixa de drenagem e o volume de óleo, com água emulsionada, remanescente no tanque.

8 A segunda etapa, que já é feita em laboratório, determina o BS&W da emulsão água-óleo a partir de amostras coletadas no tanque. Nessa etapa a água é separada do óleo pelo processo de aquecimento e centrifugação. Para facilitar a separação são adicionados, à emulsão, solvente e desemulsificante. A partir da medição dos volumes de água e óleo, supondo-se desprezível a quantidade de sedimentos, o BS&We da emulsão é calculado pela seguinte equação: O BS&W total é calculado a partir do volume de água livre drenado, do volume de emulsão remanescente no tanque e do BS&We pela seguinte equação: A vazão de óleo Qo é calculada a partir do BS&W e da vazão bruta Qb pela seguinte equação: 2.2-DETERMINAÇÃO DO BS&W A PARTIR DA PRESSÃO ESTÁTICA DO FLUÍDO Considere-se um tanque cilíndrico, contendo os seguintes fluidos, conforme mostrados na figura 1. Fluído 1: Emulsão de água em óleo Fluído 2: Emulsão de óleo em água Figura 1: Tanque cilíndrico contendo hidrocarbonetos. Considerando que a água tem peso específico ρa e o óleo ρo. As densidades da água da e do óleo do, que estão no tanque a uma temperatura qualquer e submetidos à pressão atmosférica, são obtidas a partir das seguintes relações:

9 Onde ρa/4 é o peso específico da água nas condições, 4 o C e 1 atm. Dessa forma, o BS&W do fluido contido no tanque da figura 1 poderá ser calculado pela seguinte equação: À medida que o tempo vai passando a vazão de óleo vai diminuindo e a de água aumentando tendendo-se à situação em que a receita financeira proveniente da venda do óleo é insuficiente para cobrir as despesas de manutenção da produção. Essa é a condição de abandono do poço ou do campo petrolífero. 2.3-AGENTES EMULSIFICANTES Quando necessário, deve ser utilizado um desemulsificante para promover a separação de água da amostra, a fim de evitar que água fique aderida às paredes do tubo de centrifugação e para aumentar a distinção da interface óleo-água. De forma geral, é definido que a maior ou menor tendência de um petróleo formar uma emulsão está diretamente associado à presença de agentes emulsificantes. Estes agentes tendem a concentrar-se na interface petróleo-água e agem reduzindo a tensão superficial entre os dois líquidos, formando uma barreira física e/ou elétrica que dificulta a coalescência das gotículas. Entre os agentes emulsificantes mais comumente encontrados no petróleo destacam-se os asfaltenos (que consiste de uma mistura variável de compostos orgânicos contendo em suas moléculas, átomos de enxofre, nitrogênio e oxigênio), parafinas, resinas, ácidos orgânicos, areia, sílica, carbonatos, sulfatos e outros (Oliveira & Figueiredo, 1989). 2.4-ESTABILIDADE DAS EMULSÕES As emulsões de petróleo podem ser consideradas como sistemas termodinamicamente instáveis, sendo a sua maior ou menor estabilidade dependente dos fatores físicos e interfaciais envolvidos (Oliveira & Figueiredo, 1989).

10 3-FUNDAMENTO TEÓRICO A teoria utilizada para realização do trabalho de medição do BS&W fundamentou-se, basicamente, na utilização da norma NBR ABNT , que se refere à determinação do BS&W pelo método da centrifugação. O motivo para a utilização dessa norma é que através dela são obtidos resultados aceitáveis por qualquer outro órgão avaliador de medições de petróleo. Como o objetivo principal é fazer o confronto dos dados obtidos nos experimentos com os dados obtidos em outro laboratório é de extrema importância que esses valores sejam confiáveis. 4-METODOLOGIA Para dar inicio aos trabalhos experimentais são recebidas as amostras de petróleo, coletadas nos poços de exploração, e em seguida é feito um registro, que nele estão identificados a procedência da amostra, o BS&W previamente determinado e as características do poço. Antes da centrifugação, 50 ml do óleo devem ser postos em um tubo cônico para centrifugação (de 100 ml) e junto a ele deve ser feita à adição de 50 ml de um solvente. O solvente utilizado no processo, devido suas características, é o tolueno. Já feita à adição das duas substâncias, tampa-se o tubo e o agita até formar uma mistura homogênea, que, em seguida, é levada para um banho termostático onde ficará por um período de 30 minutos a uma temperatura de ºC. Depois do banho a mistura deve ser invertida 10 vezes para que haja uma homogeneização. O motivo da realização do banho é devido à tentativa de reproduzir as condições de temperatura em que o óleo está submetido no reservatório, tornando os resultados mais precisos. A próxima etapa consiste na centrifugação da mistura, para isso a centrifuga deve possuir um controle de temperatura interna para que o resfriamento da mistura não altere os resultados. O tubo com a amostra (petróleo mais solvente) é centrifugado por 10 minutos a uma rotação que irá depender dos fatores indicados na tabela abaixo.

11 Tabela 1-velocidade de rotação aplicáveis para centrifugas de vários d. d ROTAÇÕES POR MINUTO a 500 fcr a 800 fcr "d" é a distância entre as extremidades de dois tubos opostos quando em posição de rotação, em milímetros. Depois dos 10 minutos, o tubo é retirado da centrifuga e nele é feito à leitura do volume dos sedimentos e da água presentes na amostra e, em seguida, o tubo é novamente colocado na centrifuga para que o processo seja repetido, a nova centrifugação será por mais 10 minutos. Se caso o resultado da segunda leitura for muito diferente daquela obtida anteriormente as operações de centrifugação devem ser repetidas. Quando não houver mais diferença entre os valores obtidos concluem-se os procedimentos experimentais. Tabela 2 Aproximação de leitura Leitura Aproximação Inferior a 0,1 ml Entre 0,1 ml e 1 ml Acima de 1 ml 0,025 ml 0,05 ml 0,1 ml Depois de concluído a etapa experimental segue-se a seguinte metodologia. a) Acompanhar resultados medidos, fundamentados nas normas. b) Comparar valores encontrados, averiguando possíveis diferenças. c) Caso haja diferenças, descobrir fontes responsáveis pelas mesmas. d) Definir valor a ser usado como resultado final da grandeza medida. e) Armazenar dados. f) Tecer conclusões acerca dos resultados encontrados.

12 5-Cronograma de execução DESCRIÇÃO 1º TRIM. 2º TRIM. 3º TRIM. 4º TRIM. Familiaridade com os equipamentos e normas técnicas. ////////////// Acompanhamento, controle e armazenamento de dados. Relatório parcial. ////////////// ////////////// /////////////// /////////////// Analise dos resultados, relatório final, apresentação de trabalho em congresso. /////////////// /////////////// 6-RESULTADOS E ANÁLISE Os pesquisadores do LAMP nos forneceram uma amostra de petróleo para que fosse realizado testes de BS&W, densidade e viscosidade, para, com isso, confrontarem com os valores obtidos por eles. Para a obtenção do BS&W trabalhou-se a uma temperatura de 60 ºC no banho termostático e uma rotação de 2500 RPM na centrifuga, as demais operações foram citadas anteriormente. A amostra utilizada foi Petróleo Bruto Procedência: ATP-ARG/Estação ARA ponto de coleta: Tanque B de 2000 m³. Os resultados obtidos foram: BS&W da amostra: 1% do volume. Densidade do óleo: Temperatura da amostra: 23 C 1ª amostra: d=0,93125 g/cm³ 2ª amostra: d=0,92792 g/cm³ 3³ amostra: d=0,90614 g/cm³ MÉDIA das amostras: d=0,91577 g/cm³ ou 23 API Viscosidade do Óleo: Temperatura da amostra: 23 C Para 100 RPM, spindle nº. 3, viscosidade 5700 cp, com 95% de certeza. Temperatura da amostra: 50 C Para 50 RPM, spindle 3, viscosidade 4300 cp, com 99% de certeza. Além da temperatura citada, outros testes foram realizados utilizando outras temperaturas no banho termostático. Os resultados obtidos com a variação de temperatura foram os mesmos obtidos a uma temperatura de 60 º C, até a temperatura de 80 º C quando se tornou muito complicada a realização dos experimentos.

13 7-CONCLUSÕES Com base no que foi tratado no relatório, conclui-se que os resultados das pesquisas junto como os resultados obtidos nos experimentos estão dentro do que era esperado, finalizando com êxito mais uma etapa das atividades relativas ao projeto Análises Comparativas dos Valores dos Sedimentos Básicos e Água (BS&W - basic sediments and water) nas Amostras de Petróleo.

14 8-REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS Guia para a Expressão da Incerteza de Medição 1998 INMETRO (tradução) LINK, W. Metrologia Mecânica Expressão da Incerteza dos resultados 1998 LINK, W. Tópicos Avançados da Metrologia Mecânica Confiabilidade Metrológica e suas Aplicações 2000 EMIC/IPT/MITUTOYO/INMETRO/SBM LOPES, P. A. Probabilidades & Estatística Conceitos, Modelos e Aplicações em Excel 1999 Reichamann & Affonso Editores IPT/MITUTOYO/INMETRO/SBM MAITELLI, A. L. e DE LIMA, C. E. G. Seminário AUTOMAÇÃO DE TESTES DE PRODUÇÃO E DETERMINAÇÃO DO BSW DE POÇOS PRODUTORES DE PETRÓLEO. Normas técnicas da ABNT. Notas de aulas utilizadas na disciplina de Laboratório de Mecânica dos Fluidos. SILVA, W. P., SILVA, C. M. D. P. S. e NASCIMENTO, M. S. Tratamento de Dados Experimentais Universitária João Pessoa. VIM Vocabulário Internacional de Metrolgia 2000 INMETRO