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ARTICULO TÉCNICO

Efecto de un reductor de viscosidad en un crudo

pesado y la importancia del control en medición

Edgardo Jonathan Suárez Domínguez

1ER. CONGRESO Y EXPOSICIÓN INTERNACIONAL DE MEDICIÓN DE FLUJO Y CALIDAD DE LOS HIDROCARBUROS 2014

MÉXICO, NOVIEMBRE DE 2014

Efecto de un reductor de viscosidad en un crudo pesado y la importancia del control en medición

Edgardo J. Suárez Domínguez1, Josué Gómez Espinoza1, Vicente González Dávila2, Jesús F. Flores López2, Rigoberto Manuel Rivera2, Alejandro Rodríguez Valdés3, Arturo Palacio Pérez3, Elena F.

Izquierdo Kulich4

1. Mexican Institute of Complex Systems. Calle Tlaxcala 111, Col. Unidad Nacional. Ciudad Madero,

Tamaulipas, México. e-mail: [email protected] 2. Geo Estratos SA de CV. Calle 7 No. 205-1 Col. Jardín 20 de Noviembre. Ciudad Madero, Tam. 3. Instituto de Ingeniería. Universidad Nacional Autónoma de México. Circuito interior sin número.

Ciudad Universitaria. México, D.F. 4. Departamento de Química-Física. Facultad de Química. Universidad de la Habana.

RESUMEN. A partir de la ecuación de Bernoulli, se desarrolló un modelo matemático para predecir la caída de presión a lo largo de un ducto, además de cuantificar el efecto de la temperatura. Se determinó el grado de dependencia de la presión con respecto a la temperatura en flujo laminar. Una prueba de campo se utilizó para validar el modelo matemático siguiendo un protocolo de dosificación con un tiempo estimado de 96 horas a lo largo de diversas etapas. Se validaron los datos de campo y se optimizó el modelo para su uso modificando variables como la temperatura del fluido, la presión inicial, la viscosidad y la temperatura exterior del ducto. Se encontró que la caída de presión en el ducto es en mayor grado más sensible a la temperatura inicial del fluido y la temperatura de superficie del ducto que a su vez se encuentra relacionada con la capacidad calorífica del crudo. En todos los casos se obtuvieron mejores resultados cuando se dosifica el biorreductor de viscosidad. Palabras clave: Medición de flujo, crudo pesado, bioreductor de viscosidad, prueba de campo, Dependencia de temperatura, caída de presión, viscosidad, diseño oleoducto.

1. Introducción

Todos los procesos tecnológicos, independientemente si se trata de una escala industrial o a nivel

de planta piloto, son desarrollados o diseñados para operar con una relación costo-beneficio

apropiado, donde la eficiencia del proceso debe garantizar la calidad del producto final y el

mínimo impacto ambiental.

El diseño de las instalaciones de proceso se realiza tomando como base las propiedades

físicas y composición de la materia prima, así como las condiciones normales de operación de tal

manera que los equipos particulares garanticen las condiciones preestablecidas. En la práctica,

estas condiciones de operación se refieren a cuatro variables fundamentales que son

monitoreadas de forma continua: la presión, la temperatura, el nivel y el flujo. La elección de las

mismas se basa no solamente en su importancia física, sino en la disponibilidad de la

instrumentación de adquisición y manejo para las mediciones en línea.

Igualmente es importante la medición y el control de variables relacionadas con la

composición de la materia prima y el producto final, pero la disponibilidad de instrumentación en

línea para el control de este tipo de variables se encuentra limitada, resultando más factible en la



mayoría de los casos realizar un muestreo de forma discontinua en determinados puntos del

sistema e instantes de tiempo y analizarlos en el laboratorio.

Cuando los procesos se encuentran en la fase de arranque o puesta en marcha,

frecuentemente estas condiciones de operación deben ser ajustadas, ya que la composición de la

materia prima a condiciones originales y naturales no se mantiene constante, sino que cambia en

el tiempo. Este característica, unido al hecho de que la variación incontrolada de las condiciones

externas (ejemplo, la temperatura ambiental) pueden incidir en las condiciones permisibles de

operación o diseño del proceso, lo cual afecta la eficiencia de la operación y puede incluso generar

fallas si no se controlan estas apropiadamente.

En los procesos de extracción y transporte de crudo, los efectos de tales características se

hacen particularmente marcados, ya que la composición compleja del petróleo puede variar de

forma significativa, afectando el valor de parámetros que es necesario tomar en cuenta para el

transporte. En el caso de la transportación por ducto de crudo extra pesado, la viscosidad y la

capacidad calorífica son propiedades muy importantes cuando se requiere implementar un

proceso térmico para disminuir los esfuerzos por fricción producto de los altos coeficientes de

viscosidad.

Dado que la variación de la viscosidad con la temperatura y la composición de la materia

es del tipo no-lineal, pudiendo variar en gran medida, las eficiencias de los procesos de extracción

y transporte de crudo se encuentra limitadas a un rango pequeño de variación de las propiedades

físicas y relacionadas a un flujo que es posible transportar a partir de una potencia de bombeo

dada, cuya energía consumida depende de forma directa con el costo de producción. Una mayor

potencia se encuentra estrechamente relacionada con un mayor consumo eléctrico, y por tanto

con un mayor costo de producción. Por otra parte, en muchos pozos el crudo es tan viscoso que es

necesario implementar un proceso de mejoramiento de flujo, ya sea elevar la temperatura,

inyectar gas y/o agua para establecer un flujo bifásico que sea más fácil de transportar, o inyectar

productos químicos que actúen como reductores de viscosidad. Cualquiera de estas variantes

requiere de una evaluación técnica-económica para asegurar un beneficio mayor sobre el costo de

producción.

El presente trabajo se desarrolla en un tema sobre la importancia de la medición, monitoreo y control de variables operativas (flujo, presión, temperatura, densidad y composición química de los hidrocarburos) en los sistemas de procesos de extracción, almacenamiento y transporte de petróleo, en los que se involucran metodologías experimentales de adquisición y análisis de datos numéricos; se tiene como objetivo mostrar el efecto característico de una formulación química en las variables de operación de un ducto que transporta crudo pesado y evaluar su correspondencia con un modelo teórico clásico de conservación de la mecánica de fluidos y el efecto de la correcta medición de la temperatura. La presente investigación se desarrolló en su fase de campo y su acoplamiento con un modelo matemático de transporte de fluido monofásico.



2. Parte experimental

Se realizó el muestreo de un crudo de acuerdo con la norma ASTM D4057 y se determinó la

viscosidad con un equipo Anton Paar a diferentes temperaturas y dosificaciones del biorreductor

de viscosidad BRV.

Se desarrolló un modelo teórico en flujo laminar y monofásico para el transporte de un crudo

y sus mezclas por dosificación con un biorreductor de viscosidad denominado BRV®. Se realizó una

prueba de campo en un ducto en la zona norte de México, al cual se le dosificó en promedio 0.6%

en volumen de la formulación química que consistió en las siguientes etapas:

Etapa 1: Monitoreo y muestreo de hidrocarburos por 48 horas para obtener y fijar las condiciones iniciales o sin perturbación del proceso.

Etapa 2: Se efectúa inyección de bache de limpieza de ducto de 10,000 litros de BRV.

Etapa 3: Se efectúa dosificación intermitente de BRV® a razón promedio de 13,356 litros por día mediante el sistema Link In Flow®.

Etapa 4: Monitoreo de las condiciones de flujo después de las operaciones de inyección de BRV® para observar si hay tendencias de restablecimiento de las condiciones iniciales por un periodo de tiempo similar.

3. Resultados y Discusión

3.1. Implicaciones Teóricas

En el transporte de crudo pesado el parámetro más importante a controlar es la viscosidad. En

este tipo de sistemas la caída de presión se determina a través de la ecuación de Bernoulli:

2 2

2 1 2 12 1

2 12 2

V V P Pg z z F W

(1)

Donde V1 y V2 representan la velocidad del fluido en el punto de entrada y de salida de la

sección de proceso considerada, z2 – z1 es la diferencia de altura entre ambos puntos, P2 – P1 la

diferencia de las presiones en la entrada y la salida, la sumatoria de F es un coeficiente que

considera la disipación de energía por fricción y geometría del ducto que se encuentra relacionado

directamente con la viscosidad y el régimen de flujo, y W representa el trabajo que se le

suministra o extrae al fluido. En el caso del crudo extra pesado el flujo es laminar. El factor de

fricción que afecta el término F se determina mediante el uso del número de Reynolds:

16

Ref (2)



Para flujos no Newtonianos, como es el caso del crudo que se ajusta reológicamente al

modelo de ley de potencia, puede utilizarse el número de Reynolds generalizado:

28

Re6 2

nn n

NN

D V n

K n

(3)

Donde D es el diámetro del tubo, V la velocidad del fluido, la densidad, K es la

consistencia y n es el orden del flujo de ley de potencia. Cuando el orden de flujo es igual a 1 (flujo

Newtoniano) la consistencia se corresponde con la viscosidad propiamente dicha del fluido.

Evidentemente esto sugiere que un incremento de la consistencia o viscosidad implica un

incremento en el valor del término F y por tanto en el trabajo W requerido de bombeo, lo que

implica un mayor consumo de energía por incremento de la capacidad de bombeo para mantener

las condiciones de operación de flujo deseadas que puede ser transportado en el sistema,

pudiendo ser que los requerimientos en presión de bombeo obligue a trabajar a marcha forzada o

incluso requiera cambio del sistema de bombeo.

Lo anterior implica un monitoreo frecuente de las características reológicas del crudo. Para

disminuir el costo de bombeo aplicando un proceso de calentamiento es necesario, además,

determinar a escala de laboratorio la influencia de la temperatura en la viscosidad, de tal forma

que sean definidas las temperaturas apropiadas para una capacidad de bombeo y flujo requeridos,

y una medición continua y control apropiado de esta variable a escala de proceso.

En la Figura 1 se observa la influencia cualitativa del orden y la consistencia en la caída de

presión por fricción en un tubo.

Figura 1 Caída de presión por fricción en tubo

Cuando se emplean reductores de viscosidad se necesita realizar un estudio de la

influencia de la concentración del reductor sobre la viscosidad para diferentes temperaturas de

trabajo y valores de viscosidad del fluido. Este estudio experimental permite determinar el flujo de



bioreductor de viscosidad que debe ser inyectado para garantizar las condiciones de operación

deseadas.

3.2. Resultados de laboratorio

Los resultados de laboratorio en cuanto a la viscosidad obtenida se muestran a continuación. Pueden notarse las reducciones de viscosidad obtenidas a nivel laboratorio. Cabe señalar que en la prueba de campo la dosificación utilizada fue de aproximadamente 0.6%.

Tabla 1 Resultados de viscosidad a diferentes dosificaciones de BRV y temperaturas.

3.3. Resultados de campo

Los resultados y metodología aquí plasmada fueron obtenidos dentro del marco de una convocatoria SENER-CONACYT-Hidrocarburos para la generación de conocimiento científico.

En la etapa 1 de la prueba de campo, se recolectaron datos puntuales de presión, temperatura y gasto. Una gráfica de presión contra gasto representa el comportamiento del sistema de bombeo y la relación que hay entre ambas variables puede sugerir el tipo de condiciones en que opera normalmente en un lapso de 48 horas antes de la prueba.

Figura 2 Condiciones de presión y gasto medidos en campo a temperatura constante de 40°C promedio



En la gráfica de la figura 2 también se representa una tendencia lineal creciente de la presión cuando se aumenta el gasto, donde se toma un promedio de gasto de 11540 BPD que corresponde a una presión de alrededor de 59 kg/cm2.

La etapa 2 fue bache de limpieza de corto tiempo dado su naturaleza en gasto. El objetivo de su aplicación es maximizar la sección transversal efectiva disminuyendo la presión global de operación del ducto favoreciendo a un incremento de la capacidad de transporte de petróleo.

Figura 3 Datos de presión y gasto y su ajuste cúbico

La figura 3 representa el efecto de reducción de presión y gasto por bacheo de limpieza, su estabilización por 2 horas y además de observarse el incremento de la presión por aumento del caudal de petróleo, este comportamiento conjunto transitorio se ajusta a un polinomio cúbico.

Figura 4 Producción transportada en oleoducto de prueba



La figura 4 presenta los datos de presión, temperatura y gasto adquiridos en la etapa 3 correspondiente a la dosificación de manera intermitente del reductor de viscosidad mediante el sistema de intercambio de calor.

En la figura 4 se distinguen los aspectos relevantes para tomarse en cuenta. Durante la etapa de monitoreo, se corroboran los datos de inicio, la presión se mantiene en el orden de 58 a 60 kg/cm2, y la temperatura dentro del rango de 39 – 40 ºC según la nube de datos de la figura 2. Es de notarse en las figuras 3 y 4, que en la etapa 3 una caída gradual de presión y un aumento en la producción transportada, es interrumpida por una corriente externa es involucrada en la desembocadura del oleoducto, por lo que se tiene un represionamiento gradual que afecta todo el oleoducto.

La producción promedio transportada durante los días de la prueba contadas a partir del

inicio de dosificación, es de 12450 bpd, con una presión promedio de 59.36 kg/cm2. Es importante tomar en cuenta que las bombas operaron en su máxima capacidad, a diferencia del tiempo previo a la prueba en donde el transporte fue alrededor de 11500 bpd con una presión aproximada de 61 kg/cm2.

En esta sección se pretende realizar un análisis específico y cabal del efecto que tuvo la

inyección del biorreductor de viscosidad BRV, sobre las condiciones de operación del ducto en

campo. Aun cuando se pueden realizar toda una serie de comparaciones con base en diferentes

parámetros, resulta más propicio en primer término mostrar de manera directa y sin necesidad de

cálculos elaborados, una gráfica conteniendo todos los datos crudos registrados durante la

prueba.

Figura 5 Gasto respecto a la presión



La figura 5 presenta dicha gráfica en términos de los dos parámetros más representativos

de las condiciones de operación del ducto, es decir, la presión y el gasto. Se han graficado todos

los valores de manera cruda mostrando su distribución en cinco períodos: Etapa 1 de pre

monitoreo, Etapa 2 de limpieza, Etapa 3A de dosificación antes del represionamiento (s/r), Etapa

3B de dosificación después del represionamiento (c/r) y Etapa 4 de post monitoreo.

Para cada una de las series de datos registrados, se ha colocado un punto de mayor

tamaño mostrando el promedio aritmético, mismo que refleja fielmente la tendencia de cambio

en las condiciones de operación del ducto. Se puede observar muy claramente que durante la

etapa de dosificación intermitente del BRV previo al represionamiento (Etapa 3A), el centro de

gravedad de los registros capturados (círculo verde) se movió prácticamente de forma horizontal

hacia la derecha con referencia a la etapa de pre monitoreo (Etapa 1, círculo azul); es decir, que

mientras la presión se mantuvo esencialmente constante en un valor cercano a los 59 kgf/cm2, el

gasto se incrementó en promedio 8.45%, lo cual equivale a aproximadamente 976 BPD. Inclusive

tomando en cuenta el represionamiento, la presión se eleva aproximadamente 1 kgf/cm2 y el gasto

aun así es superior en 7.4% (857 BPD) respecto a la etapa de pre monitoreo.

Posteriormente, después de que se suspende la dosificación de BRV, las condiciones de operación registran en promedio un aumento de gasto de tan sólo 0.5% a partir de que concluyó la inyección del producto y un aumento de presión de casi 2 kgf/cm2; inclusive se percibe un decremento de tan solo un 0.3% en gasto con respecto a la etapa 3 antes del represionamiento y del orden de 3 kgf/cm2 de aumento de presión. Este comportamiento obedece a un efecto residual que al parecer se presenta por una remanencia de producto químico dentro del ducto, que puede asociarse a un alojamiento en las paredes.

3.4. Dependencia de las variables de medición La ecuación de Bernoulli puede ser simplificada a:

2

2 12

f Vp p gh L

D

(4)

Donde D = Diámetro del Tubo, V = Velocidad media, = Densidad del Fluido, L = Longitud del

tubo, p1 = Presión inicial, p2 = Presión final, g = Gravedad, h = Altura y f Factor de fricción

El factor de fricción corresponde a:

64 64

Ref

DV

(5)

= Viscosidad Dinámica

Puede notarse que el factor de fricción es proporcional a la viscosidad y esta es dependiente de la temperatura:



0.1

0

Tn e (6)

En donde 0n es una constante empírica, es la Viscosidad Dinámica y T es la

Temperatura. Es evidente que la temperatura se modifica a lo largo del tubo ya que generalmente

el fluido que se produce en un pozo tiene mayor temperatura que la ambiental, o son colocados,

para disminuir la viscosidad. El conjunto de ecuaciones se programó en lenguaje java y se validó

con los resultados de campo. Una vez realizado esto se procedió a determinar de manera

apropiada las condiciones de operación.

Para los cálculos teóricos se utilizaron como datos iniciales los datos de campo, que sirvieron para

validar el modelo y que se correspondió a una producción promedio de 10460 barriles por día de

crudo a 60kg/cm2 , a 40°C a la entrada del ducto y una temperatura exterior promedio de 21°C.

Temperatura exterior

promedio(°C)

Flujo máximo Teórico

Flujo máximo Teórico 0.6%BRV

19 10243 11356 20 10351 11465 21 10460 11574 22 10569 11683 23 10677 11791

Tabla 2 Resultados de la variación de temperatura exterior promedio del ducto

En la tabla 2 puede notarse que cuando no se tiene un reductor de viscosidad la diferencia de 2

grados es de aproximadamente el 2.07%, sin embargo la diferencia es menor cuando se tiene el

reductor de viscosidad disminuyendo al 1.88%.

Temperatura

inicial crudo

(°C)

Flujo

máximo

Teórico

% Diferencia


0.6%BRV

% Diferencia

37 8993 -14.0 9916 -13.6

38 9482 - 9.3 10460 - 8.8

39 9971 - 4.7 11030 - 3.9

40 10460 - 11474 -

41 11139 6.5 12226 6.6

42 11683 11.7 12878 12.2

Tabla 3 Resultados de la variación de la temperatura inicial

En la tabla 3 se observan los resultados con respecto a la temperatura medida inicialmente. Se

observa que cuando la temperatura se encuentra por debajo de la real se tienen mayores

desviaciones cuando no se tiene dosificado el producto y que es de hasta 4.7% el flujo por debajo

del real. Sin embargo una equivocación hacia arriba llevaría a dejar de observar hasta un 6.5% del

flujo real y sería más notorio si se tiene dosificado el reductor de viscosidad.



Presión inicial crudo (kg/cm2)


58 10134 59 10297 60 10514 61 10732 62 10922

Tabla 4 Resultados de la variación de la presión inicial

En la tabla 4 se presentan los resultados en cuanto a la presión inicial medida en el comienzo del oleoducto encontrándose un impacto similar al de la temperatura exterior. Sin embargo se encontró que la dosificación del Biorreductor puede disminuir la caída de presión en 4 kg/cm2 por cada 1% de producto dosificado, aproximadamente; sin embargo estos resultados pueden variar dependiendo el crudo transportado. En general es de notarse el impacto que tiene la viscosidad en el fluido, y ésta se encuentra influenciada por la temperatura.

4. Conclusión.

Se corroboran los efectos de dosificación de un reductor de viscosidad y las grandes desviaciones que se tienen en el modelo teórico monofásico cuando se registran valores experimentales incorrectos.

La ecuación utilizada para el modelo fue la de Bernoulli, pero se consideró el cambio de la viscosidad con respecto a la temperatura, y la temperatura con respecto a la distancia de localización del fluido a lo largo del oleoducto.

Al realizar el cálculo teórico con las características de las pruebas se encontró una

desviación del 2% y que el efecto de la temperatura es primordial para obtener una buena correlación entre el modelo y los resultados experimentales. Errores de medición de 1 °C en campo pueden producir errores mucho mayores en cuanto a la presión y flujo de crudo.

El periodo de monitoreo de las condiciones de operación es sumamente necesario para determinar los parámetros de comparación de la técnica aplicada de optimización de flujo como se realizó en este proyecto, donde la conclusión fue que el petróleo se caracterizó por fluir a un gasto de 11,640 BPD a una presión de 60 kgf/cm2 a una temperatura de 40 °C aproximadamente.

El periodo de dosificación se realizó de forma intermitente y se pudo determinar que la

aplicación del BRV® amplió el rango de gasto posible a transportar por el ducto, beneficio que se obtiene al reducir la presión lo suficiente para aumentar la producción de transporte.

Desviaciones en los registros de temperatura pueden producir grandes desviaciones en las

estimaciones de flujo en un ducto mostrando la gran dependencia del cálculo de dicho monitoreo.



5. Bibliografía

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AGRADECIMIENTOS

Se agradece al fondo sectorial SENER-CONACYT-Hidrocarburos su apoyo en la realización de las

actividades tanto de gabinete como de campo, que permitieron realizar el proyecto aquí

reportado.

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