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  • 1. Águas Produzidas DE PETRÓLEO:origem e técnicas de tratamento. Professora: Magna Angélica dos Santos Bezerra Sousa
  • 2. Sumário• O que são?• Petróleo e Caracterísitcas dos Reservatórios• Mecanismos de produção de petróleo: influxo e injeção de água• Eficiência de varrido• Águas produzidas são um produto?• Características : gerais, Brasil, RNCE (composição, volumes produzidos)• Comportamento termodinâmico e físico-químico• O que fazer? Legislação• Técnicas de Tratamento• Disposição• Horizontes - fechamento
  • 3. Glossário RGO - Razão Gás/Óleo – quociente entre as vazões de gás e de óleo. RAO – Razão Água/Óleo – quociente entre as vazões de água e de óleo. Cut de Água – quociente entre a vazão de água e a soma das vazões de óleo e água BSW – Basic Sediments Water - quociente entre a vazão de água mais sedimentos e a vazão de óleo, água e sedimentos. Volume original – quantidade de fluido na época da descoberta do reservatório. Volume recuperável – o volume que efetivamente poderá ser produzido. Fator de recuperação – quociente entre o volume recuperável e o volume original. Offshore – produção de petróleo em mar Onshore – produção de petróleo em terra Upstream – indústria petrolífera que envolve da pesquisa a produção de petróleo.
  • 4. Águas Produzida (AP) ou de Água de Produção de Petróleo O que são águas produzidas?Toda água carreada junto com o óleo durante a produçãode petróleo.Mas, e de onde vem essa água?
  • 5. Produção de Petróleo O petróleo é uma mistura complexa de hidrocarbonetos e compostos orgânicos de oxigênio, enxofre e nitrogênio, além de metais. As características do petróleo são função do reservatório de onde o mesmo é produzido. O petróleo se encontra nos poros das rochas.
  • 6. Características dos Reservatório Rochas – as formações mais propensas a acumulação de petróleo são os arenitos e calcários, que são formações porosas. Poros – os poros das rochas precisam ser permeáveis, ou seja, interconectados para que seja possível a produção de petróleo As formações rochosas são, em geral, permeadas por fluidos como água e petróleo. O volume poroso da rocha-reservatório é ocupado pelos fluidos: água, óleo e gás, o percentual de cada fluido no volume poroso é definido como a saturação do fluido.
  • 7.  As saturações de cada um dos fluidos são dadas pelas equações abaixo: Em que são as saturações de óleo, gás e água; E são o volume poroso e os volumes de óleo, água e gás. o – óleo, g – gás e w – água.
  • 8.  A água salina já saturava os poros das rochas quando o petróleo migrou e chegou até lá. Devido a diferença de densidade, o petróleo sobe e a água fica localizada abaixo. Água Conata ou de Formação A saturação de água que o reservatório apresenta ao ser descoberto é função da água conata. Essa água que se encontra nos poros da rocha reservatório é denominada água conata ou de formação.
  • 9. Mecanismos de Produção de Petróleo Para que os fluidos contidos nos poros das rochas sejam produzidos é necessária uma quantidade mínima de energia. Além disso, outro material deve substituir o espaço poroso ocupado anteriormente pelo fluido. Na produção de petróleo ocorre: Descompressão (expansão) Deslocamento de um fluido por outro (geralemente água do aquífero)
  • 10. Mecanismos de Produção de Petróleo Gás em solução Figura 4: mecanismo gás em solução – Fonte: Rosa, Carvalho e Xavier, 2006.
  • 11.  Capa de Gás Figura 6: mecanismo de capa de gás - Fonte: Rosa, Carvalho e Xavier, 2006.
  • 12.  Influxo de Água – a maior parte dos reservatórios brasileiros utilizam o influxo ou a injeção de água para repor o espaço poroso deixado pelo óleo produzido (Corrêa, 2006) Figura 8 : mecanismo de produção por influxo de água - Fonte: Rosa, Carvalho e Xavier, 2006.
  • 13.  Os reservatórios que operam sobre influxo de água, além de terem RAO crescentes podem ser acometidos da formação do cone de água e ainda de fingers ou fingering (dedos), devido uma elevada mobilidade de água em relação a mobilidade óleo Formação de cone de água e fingering – fonte: Thomas, 2004
  • 14. Métodos de Recuperação Secundária de Produção de Petróleo – Métodos convencionais. Opções: aumentar a energia do reservatório (injeção de fluidos) e redução das resistências viscosas e ou capilares Injeção de fluidos: métodos imiscíveis Injeção de gás Injeção de água – a água pode ser usada para aumentar a recuperação do petróleo. Esse é o método de recuperação secundária mais usado no mundo. A água de injeção deve ser quimicamente compatível com a água de formação. As configurações de injeção podem ser as mais diversas: injeção periférica e ainda em malhas.
  • 15. Mecanismos Avançados de Produção de Petróleo – Recuperação Avançada Métodos térmicos: injeção de água quente e injeção de vapor. Aditivos: polímeros, surfactantes, solução micelar, solução alcalina
  • 16. Eficiência de Varrido Os métodos que usam água, seja na forma líquida seja na forma de vapor, “varrem” o óleo em direção aos poços produtores. Essa frente de fluido deslocante pode apresentar, em certos momentos, uma mobilidade de água maior que de óleo, instante em que ocorre o “breakthrough”, que é o avanço da água na zona de óleo. Além do aumento crescente da RAO, o reservatório fica com zonas “mortas”, onde o óleo não foi produzido.
  • 17.  A água sempre está presente nos reservatórios, entretanto, a existência da água no reservatório não implica em produção ou deslocamento da água até o poço no início de sua vida produtiva. Para que a água se desloque e seja produzida é necessário que a saturação de água ultrapasse um valor mínimo. Essas considerações são válidas para o início da vida produtiva, após o breakthrough, a produção de água não para mais.
  • 18. As Águas Produzidas são um produto? As águas produzidas são consideradas como um subproduto da produção de petróleo. Entretanto, pela características são um efluente da indústria do petróleo e como tal devem ser tratadas e descartadas.
  • 19. Características Gerais: Volumes produzidos Mundo – só na China são produzidos 50 milhões de ton de água produzida por ano (Yi et. al, 2012). Estima-se, dados de 2009 (Ahmadum, 2009), que são produzidos diariamente 250 milhões de barris de água de produção para 80 milhões de barris por dia de óleo. Brasil – só no ano de 1998 foram produzidos 9,3 x 106 m3 de água de produção na Bacia de Campos (maior produtor nacional de petróleo. RNCE – os volumes de água produzida na UN-RNCE já ultrapassavam os 80 m3/d no ano 2002.
  • 20. Fatores que afetam a produção de AP Método de perfuração: um poço horizontal pode produzir água em maior taxa de um poço vertical. Em reservatórios homogêneos, o uso de poços horizontais reduz a produção de água. Tipos de completação: método de poço aberto evita a perfuração em zonas de água. Por outro lado, o método de completação perfurada oferece maior controle, devido a possibilidade de teste entre os intervalos de perfuração. O amadurecimento do campo produtor leva a necessidade de perfuração em zona mais profundas, aumentando a produção de água..
  • 21.  Elevação do contato água/óleo em função do mecanismo do reservatório Tecnologias de separação de água: utilização de polímeros para gelificação de zonas e diminuição da permeabilidade relativa a água. Água de injeção para aumentar a recuperação de petróleo. É necessário cada vez mais de injeção para manter os níveis de produção, aumentando assim os volumes de água produzida. Problemas mecânicos devido a corrosão ou ainda por fluxos e pressão excessiva pode permitir fluidos do reservatório indesejados. Falhas na cimentação primária ou furos no revestimento
  • 22.  Comunicações subterrâneas: problemas de comunicações subterrâneas acontecem perto dos poços ou reservatórios podem gerar aumento da água produzida. Entre os problemas de reservatório tem-se os cones de água, canalização através de zonas de permeabilidade da água, problemas de fraturamento de zonas produtoras.
  • 23. Composição das Águas Produzidas As águas produzidas são um efluente complexo de composição variável em função das características do reservatório produtor. Apesar dessa variabilidade, as águas produzidas sempre têm óleo – livre, microemulsionado e dissolvido, Sólidos Suspensos, Sais, Metais pesados, Radionuclídeos, Microorganismos. TDS – os reservatórios portadores de petróleo tem na composição das rochas muitos sais e substâncias solúveis em água, dessa forma as águas de produção apresentam altos valores de TDS, principalmente as de locações offshore.
  • 24.  Óleo livre ou disperso – os hidrocarbonetos presentes no petróleo são praticamente insolúveis em água, de modo que parte do óleo produzido fica livre ou disperso na água produzida. Os HPAs tem a tendência a ficar disperso nas águas produzidas. Microemulsionado – devido as condições de pressão e temperatura a maior parte do óleo na água produzida se encontra em gotículas de microemulsão. Óleo dissolvido – os composto polares presentes no óleo são solúveis em água e encontram-se dissolvidos na água produzida. Entre esses compostos estão ácidos orgânicos como ácido fórmico e propiônico. Fenóis e o grupo BTEX também apresentam solubilidade em água e são de difícil remoção.
  • 25.  Sólidos Suspensos – além dos sólidos solúveis, a água também pode carrear sólidos insolúveis, como areia, argila ou ainda sais insolúveis como o sulfato de bário. Metais – as formações rochosas contém metais que são carregados pela água produzida. Os tipos de metais presentes variam de acordo com as características de cada campo produtor, como idade e geologia. Entre os metais pesados encontram-se Pb, Cd, V, Mn, Hg, Zn, Fe, Cr, Cu. Os cátions e ânions presentes conferem salinidade e possibilidade precipitação (Ba+). Encontram-se Na, K, Ca, Mg, Ba, Sr, Fe, Cl, SO4, CO3, HCO3.
  • 26.  Radionuclídeos – a água produzida também pode ter em sua composição minerais radioativos naturais como 226Ra, 228Ra. Microorganismos - as águas produzidas também carreiam microorganismos presentes no reservatório, alguns desses são bactérias anaeróbias e redutoras de sulfatos, fungos e algas. Os microorganismos tem sido usado em pesquisas para produção de biosurfactantes e biodegradabilidade das águas.. Aditivos químicos – surfactantes, polímeros, entre outros. Gases dissolvidos – as águas produzidas têm gases dissolvidos como H2S, CO2 e O2.
  • 27. Valores dos parâmetros em águas produzidas Parâmetros Valores Mar do Norte Bacia de Shengli Bacia de Campos UN-RNCE físico-químicos médios de (Puntervold e –China, onshore (Campos, 2000 e águas Austad, 2008) (Lu et. al, 2006) Campos et al., 2002) produzidas no mundo 1 pH 7,0 6,8 7,68 Cloretos (mg/L 190.000 37.736 2910 45380 Cl-) STD (mg/L) 310.000 64.960 80640 150.000 TOC (mg/L) 38.000 550 DQO (mg/L) 120.000 285,5 2100 DBO (mg/L) 2870 695 TOG (mg/L) 60 150 81,43 218 >100121 Fillo e Evans (1990) apud Fakhru’l-Razi (2009), 2Silva, 2002
  • 28. Comportamento químico e termodinâmico As águas produzidas são bastante corrosivas e incrustantes. Pode-se supor a água de produção como uma pseudo- solução e aplicar suas teorias, admitindo-se uma solução de sal + óleo + água. O óleo presente na água produzida tende aumentar sua pressão de vapor, enquanto o sal promove o efeito inverso. No balanço entre os dois efeitos pode-se ter uma pseudo- solução com temperatura de ebulição maior que a da água pura ou menor.
  • 29. Toxicidade das águas produzidas Dos elementos comumente encontrados em águas produzidas, os metais pesados e os grupos aromáticos (BTEX, PAHs) são os que apresentam maior potencial de toxidade ao meio ambiente, seja a biota marinha seja aos ecossistemas envolvidos no processo. Os metais pesados têm efeito bioacumulativo, de modo que além do efeito de toxidade local pode se bioacumular e trazer efeitos nocivos aos seres humanos.
  • 30. O que fazer? Legislação Cada país define os valores máximos permitidos para cada um dos parâmetros como TOG, TDS, metais, OD, temperatura, para descarte. Na Austrália o limite de TOG é de 30 mg/L (valor médio) podendo atingir um valor máximo instantâneo de 50 mg/L. Nos EUA, os limites são 29 mg/L e 42 mg/L (USEPA) China, 10 mg/L de TOG e 100 mg/L para DQO (dados Ahmadum, 2009) Resolução CONAMA 357 e as alterações pelas resoluções 393/2007 e 430/2011.
  • 31. RESOLUÇÕES CONAMA 357/2005 393/2007 430/2011
  • 32. Técnicas de Tratamento – Processamento Primário de Fluidos O processamento primário visa a separação dos fluidos produzidos no poço para obtenção do óleo e ou gás. O petróleo é o interesse econômico do processamento primário, a água que é separada do óleo carreia consigo impurezas em suspensão. As plantas de processamento primário podem ser simples ou complexas a depender das características dos fluidos, da localização (onshore/offshore) e dos interesses econômicos
  • 33.  A técnica de tratamento para águas produzidas é escolhida em função dos custos, da região produtora, da legislação local e qualidade requerida para água. O tratamento da água produzida visa a redução TOG,remoção de orgânicos solúveis, sólidos suspensos, gases, sais,dureza, metais pesados, turbidez e sólidos, de modo a deixar o efluente dentro dos padrões de lançamento estabelecidos na legislação. As técnicas de tratamento podem ser as convencionais, no caso de água produzidas, processos físico-químicos para redução do óleo.
  • 34. Tratamento de Efluentes Tratamentos Biológicos – os tratamentos biológicos são os mais simples e de menor custo, além de apresentarem o processo mais sustentável. Configuram-se pelo consumo de carga orgânica por microorganismos que, após uma sequencia de metabolizações transformam longas cadeias carbônicas em CO2 , água, metano (tratamentos anaeróbios).
  • 35. Tratamentos Convencionais O tipo de tratamento e a sofisticação do tratamento que a água produzida vai receber é função da legislação e também o espaço disponível para efetuá-lo. As águas de produção apresentam alta complexidade e variabilidade, de modo que exigem flexibilidade do processo de tratamento. As plataformas marítimas são plantas industriais em espaço reduzido e ambiente hostil de modo que os processos de tratamento têm que ser compactos e de modo geral, a água produzida é tratada e descartado, via tubo de despejo no mar.
  • 36. Tratamentos de Águas Produzidas Físico-químicos – desgaseificação, separador água-óleo, emissário. Hidrociclone – utiliza um campo centrífugo para separação. Flotação - técnica de separação de partículas sólidas ou óleos e graxas de uma fase líquida. Consiste na introdução de pequenas bolhas de ar na fase líquida, de modo a provocar um fluxo ascendente dos sólidos ou óleos com o ar (decantação invertida), geralmente associada a aplicação de tensoativos, a uma suspensão de partículas. A flotação juntamente com os hidrociclones são os processos de separação água/óleo mais usados na indústria do petróleo. (MDIF)
  • 37.  Evaporação – utiliza as diferenças de volatilidade das substâncias para realizar a separação. O principal efeito dos processos de evaporação é a remoção do sal. A evaporação pode ser acompanhada de destilação ou não. Tratamentos por membranas Osmose reversa – a água é forçada a atravessar uma membrana que separa uma solução de baixa salinidade e alta salinidade. Ultrafiltração – Yi et. al, 2012, Ahmadun et. al, 2009
  • 38.  Processos oxidativos avançados – Foto-Fenton – utilizam a radiação UV e reação radicalar. Podem utilizar sítios metálicos para melhorar o processo de mineralização da matéria orgânica. Precipitação química – coagulação e floculação podem ser usadas para remover partículas sólidos coloidais
  • 39.  Adsorção – algumas substâncias tem propriedade adsorvente. O carvão ativado adsorve compostos orgânicos e pode ser regenerado. Troca iônica - consiste em passar o efluente por colunas catiônicas de sódio suportado em uma zeólita, por exemplo. A zeólita, composta geralmente por silicatos de alumínio e sódio faz uma troca com a água libera o sódio e incorpora o cálcio. No caso das águas produzidas pode-se utilizar um recheio de hidrofóbico suportados nas zeólitas de modo a adsorver compostos orgânicos dissolvidos.
  • 40.  Tratamentos Biológicos – os tratamentos biológicos são os mais desejáveis devido oferecem os menores custos e mineralização da carga poluente. Entretanto, no caso de águas produzidas existem algumas limitações como a salinidade elevada e a alta toxidade. As águas produzidas têm baixa biodegradabilidade. Apesar desse fato, existem proposições para tratamento biológico de águas produzidas, aeróbios(como lodos ativados) e até anaeróbios. Em alguns casos sugere-se um sistema híbrido: físico-químico-biológico.
  • 41. Resumo das técnicas - comparaçãoTratamento Vantagens DesvantagensHidrociclone Compactos e com Pode necessitar alta eficiência energia para pressurização na entrada, altos custos de manutençãoFlotação Alta eficiência, fácil Necessidade de operação grande quantidade de ar Adaptado de Ahmadun (2009)
  • 42. Tratamento Vantagens Desvantagens ResíduosEvaporação Alta qualidade da Alto consumo de “lodos” – resíduo água tratada energia, sólidos gerenciamento dos sólidosUltrafiltração Compacto Alto consumo de Resíduos sólidos energia, inscrutaçãoOsmose Reversa Compacto, Alto consumo de Resíduos sólidos remoção de sais energia, incrustação monovalentesLodos ativados Barato, tecnologia Necessidade de limpa oxigênio e de grandes dimensões para o filtro
  • 43. Tratamento Vantagens DesvantagensPOA’s Mineralização Geralmente apresentam completa, consegue limitações em efluentes degradar substâncias salinos difíceis como fenóis
  • 44. Disposição De modo geral, a disposição de água produzidas se dar por re-injeção ou mar via emissário submarino. A disposição final das águas produzidas incluem ainda disposição em águas superficiais (Woodall et. al, 2001, Woodall et. al, 2003 Para realidade brasileira, de acordo com Souza e Furtado (2006), a opção mais utilizada, na época de publicação do artigo, nas unidades da Petrobras para destino de águas é o descarte, seja em superfície no oceano, seja em subsuperfície em formações não produtoras.
  • 45.  Entretanto, devido os altos volumes produzidos, os custos inerentes ao tratamento, a escassez de água e os possíveis efeitos deletérios aos reservatórios e fauna e flora marinhas, tem procurado desenvolver técnicas para reuso de água produzidas tratadas. no RN já existem ações para reuso de água de produção (Gabardo, 2007). Na região do semi-árido existem projetos pioneiros para uso de água de produção tratada na irrigação de mamonas, para produção de biodiesel, e se prevê como próximos passos à irrigação de helicônias. No campo da Fazenda Belém, no Ceará, desse efluente tratado tem sido usado para geração de vapor
  • 46. Conclusão Os cenários da indústria petrolífera não apontam para diminuição ou estabilização dos volumes de água produzidas. Independente do compromisso em tratar os efluentes, as indústrias têm sido chamadas para minimização da produção de seus resíduos e isso também deve valer para as indústrias petrolíferas. Nessa esteira, devem ser investidos recursos para o desenvolvimentode tecnologias que minimizem a produção de água juntamente com o petróleo.
  • 47. Figura 02: detalhe do poro de uma rocha –reproduzido de Rosa, Carvalho e Xavier, 2006
  • 48. Figura 01: detalhe de um reservatório de petróleo
  • 49. Figura 05: curvas de pressão e razão gás/óleo - Fonte: Rosa, Carvalho e Xavier, 2006.
  • 50. Figura 07: curvas pressão e razão gás/óleo paramecanismo de capa de gás - Fonte: Rosa, Carvalho e Xavier, 2006.
  • 51. Figura 09: curvas pressão e razão gás/óleo mecanismo influxo de água
  • 52. Figura 11 : influxo de água em 3D - Fonte: Rosa, Carvalho e Xavier, 2006.
  • 53. Figura 12: esquema de produção de petróleo por injeção de vapor
  • 54. Figura 13: sistema de injeção de água pela base
  • 55. Figura 14 : sistema de injeção em malhas - Fonte: Rosa, Carvalho e Xavier, 2006.
  • 56. Fonte: http://www.dgeg.pt/dpep/pt/history_pt.htm Figura 03: testemunho de rocha reservatório
  • 57. mica argila óleo Feldspato quartzo carbonatoFigura: microfotografia de uma rocha-reservatório contendo óleo. Fonte: Thomas et. al, 2004
  • 58. Fluxograma do processamento primário dos fluidos produzidos
  • 59. Fluxograma simplificado tratamento de águas produzidas
  • 60. Funcionamento de um hidrociclone – Fonte: Thomas, 2004.
  • 61. Esquema de tratamento de água em plataformas marítimas Fonte: Thomas et. al, 2004
  • 62. Coluna de Flotação e material flotado em tanque
  • 63. Bibliografia YI, X.S., YU, S.L.,SHI, W.X. , WANG,S., SUN, N., JIN, L.M., WANG, X., SUN,L.P. Hydrodynamics behaviour of oil field wastewater advanced treatment by ultrafiltration process. Desalination 305 (2012) 12-16. AHMADUN, F., PENDASHTEH, A., ABDULLAH, L. C., BIAK, D. R. A., MADAENI, S. S., ABIDIN, Z. Z. Review of technologies for oil and gas produced water treatment. Journal of Hazardous Materials, 170 (2009) 530-551. WANGA, B., WU, T., LI,Y., SUN, D., YANG, M., GAO, Y., LU, F., LI,X. The effects of oil displacement agents on the stability of water produced from ASP (alkaline/surfactant/polymer) flooding. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 379 (2011) 121-126. CÔRREA, A. C. F. Previsão de comportamento de reservatórios sob influxo natural ou injeção de água /Reservoir behavior forecast under natural water inflow or water injection. Boletim Técnico da Produção de Petróleo, Rio de Janeiro, vol. 1, n° 1, p. 51-66, 2006. SILVA, D. N. Degradação fotoquímica de hidrocarbonetos de gasolina em efluentes aquosos. 2002. 106f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Química) – Centro de Tecnologia, Departamento de Engenharia Química, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química, Universidade Federal
  • 64.  GABARDO, I. T. Caracterização química e toxicológica da água produzida descartada em plataformas de óleo e gás na costa brasileira e seu comportamento dispersivo no mar. 2007. 250p. Tese (Doutorado em Química) – Centro de Ciências Exatas e Terra, Departamento de Química, Programa de Pós-Graduação em Química, Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal, RN. SOUZA, A. L. S., FURTADO, C. J. A. Reinjeção de água produzida na Petrobras: perspectivas e desafios. Boletim técnico da Produção de Petróleo, Rio de Janeiro, vol. 1, n° 2, p. 215-231, 2006. THOMAS, J. E, TRIGGIA, A. A., CORREIA, C. A., VEROTTI FILHO, C., XAVIER, J. A. D., MACHADO, J. C, V., SOUZA FILHO, J. E., PAULA, J. L., ROSSI, N. C. M., PITOMBO, N. E. S., GOUVEA, P. C. V. M., CARVALHO, R. S. e BARRAGAN, R. V. Fundamentos de Engenharia de Petróleo. Petrobras, 2ª edição, Rio de Janeiro, 2001. WOODALL, D. W., GRAMBELL, R. P., RABALAIS, N. N., DELAUNE, R. D. Developing a method to track oil and gas produced water discharges in Estuarine Systems using a salinity as conservative tracer. Marine Pollution Bulletin, vol. 42, no. 11, pp.1118-1127, 2001. WOODALL, D. W., RABALAIS, N. N., GRAMBELL, R. P., DELAUNE, R. D. Comparing methods and sediment contaminat indicators for determining produced water fate in a Louisiana estuary. Marine Pollution Bulletin, 46 (2003) 731-740.

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