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Programa de tratamiento de los vertimientos
Objetivo
Establecer las acciones necesarias para la instalación de una planta de tratamiento, la cual
permitirá dar un adecuado manejo a las aguas residuales industriales generadas por la
actividad petrolera del Campo Zoe.
Tipo de medida
Prevención y mitigación
Meta
Cumplimiento del 100% de los parámetros de calidad mínimos establecidos por la
normatividad ambiental.
Alcance
Garantizar el manejo y tratamiento de las aguas residuales industriales en la etapa de
perforación, pruebas de producción y operación, previo a la disposición final.
Descripción del programa
La actividad petrolera realizada en el Campo Zoe en sus etapas de perforación, pruebas de
producción y operación generan residuos líquidos industriales o vertimientos que tiene una
alta traza de metales pesados, los cuales se descargan a la quebrada San Albertico. Las
aguas de esta fuente hídrica son consumidas por los habitantes de los municipios de San
Martin y San Alberto, quienes ya presentan afecciones en su salud a causa de la
acumulación de estos elementos en su cuerpo.
Por tal razón, resulta imprescindible la construcción y operación de una planta de
tratamiento que contemple el manejo de las aguas residuales generadas en cada etapa con el
objetivo de cumplir los parámetros establecidos en la normatividad ambiental y así mismo,
evitar la afectación a la salud de la población.
Actividades
1. Capacitación del personal
Con el objetivo de garantizar el manejo adecuado de los residuos líquidos
industriales generados en la etapa de perforación, pruebas de producción y
operación, y por ende, para preservar los recursos naturales se requiere la
realización de capacitaciones al personal calificado y no calificado tal como se
señala a continuación:
a. Planeación: la metodología para el desarrollo de los talleres será evaluada
por el contratista de acuerdo a la necesidad del proyecto. No obstante, se
debe propender por la promoción de comportamientos de protección y
cuidado del medio ambiente por parte del personal vinculado a Campo Zoe.
b. Actividad: se realizará tres (3) talleres con el personal vinculado al proyecto
al inicio de la instalación de la planta de tratamiento de las aguas residuales
industriales con el fin de promover prácticas sociales y ambientales de
protección y cuidado.
c. Temas: se dará a conocer las medidas de manejo asociadas al tratamiento y
disposición de los residuos líquidos industriales generados en las etapas de
perforación, pruebas de producción y operación del Campo Zoe.
d. Mecanismo de evaluación: al final del taller se realizará una evaluación a
cada participante que permita conocer el nivel de entendimiento de los temas
abordados.
2. Diseño y formulación de la planta de tratamiento en cada etapa operativa
Durante la etapa de perforación del Campo Zoe se generan aguas o lodos de
perforación, los cuales son fluidos preparados con materiales químicos que circulan
dentro del agujero por el interior de la tubería, impulsado por bombas, y finalmente
devuelto a la superficie por el espacio anular. Son usados en los pozos de petróleo
para limpiar y acondicionar el hoyo, para lubricar la broca de perforación y para
equilibrar la presión de formación. Tales lodos generalmente se componen de gas,
aire, agua, diésel, suspensión coloidal a base de agua y arcilla como fluido base.
(Garnica Martínez , 2011)
Debido a las características químicas y físicas de las aguas o lodos de perforación,
pueden deteriorar la calidad del agua superficial y subterránea así como afectar los
recursos naturales asociados al suelo debido a que contienen cantidades
considerables de contaminantes tóxicos como aluminio, cadmio, arsénico, plomo,
antimonio, bario, cadmio, cromo, cobre, magnesio, mercurio, níquel, zinc, benceno,
fenatrena y otros hidrocarburos así como niveles tóxicos de sodio y cloruros. Por lo
tanto, tales lodos deben pasar por un proceso de tratamiento físico y químico,
estabilización y disposición. Dicho proceso incluye la instalación de un sistema de
control de sólidos, un sistema dewatering y un sistema de tratamiento de aguas
residuales.
Por otra parte, durante la etapa de pruebas de producción se generan las aguas de
formación, las cuales son aguas subterráneas que saturan los poros de las rocas,
arenas y carbonatos que constituyen los yacimientos petroleros y sus principales
componentes son cloro y sodio en altas concentraciones [Case (como se citó en
Méndez, 2007)].
Según MSC Consultoría y Monitoreo Ambiental (2013) los impactos causados
durante esta etapa son: cambios en el uso del suelo, cambios en la disponibilidad del
recurso hídrico superficial, cambios en las características fisicoquímicas y
bacteriológicas del agua superficial debido a la presencia de metales pesados, trazas
de hidrocarburos y grasas y aceites en los vertimientos del campo. Por lo tanto, los
métodos de tratamiento en esta etapa contemplan la implementación de un tanque
desnatador o skim tank, un interceptor de placas corrugadas y una unidad de
filtración.
Adicionalmente, en la etapa de operación se generan aguas de formación o
producción al igual que la fase de pruebas de producción, por lo cual el tratamiento
a seguir es similar al mencionado anteriormente. Sin embargo, después de que las
aguas pasen por el tanque desnatador o skim tank, estas se llevaran a un tratador
térmico con el fin de acelerar el proceso.
3. Construcción y adecuación de la caseta de campo
Con el objetivo de controlar y hacer seguimiento al funcionamiento de la planta de
tratamiento se debe instalar una caseta de campo que permita realizar los reportes
diarios, el registro de los procesos, el registro de cantidades de residuos generados y
procesados, entre otros. Esta caseta debe estar equipada con escritorio, sillas, aire
acondicionado, computador, impresora, archivador, entre otros.
4. Instalación del sistema de control de sólidos y del sistema dewatering
4.1. Sistema de control de sólidos con el fin de separar o eliminar los ripios o
cortes de perforación los cuales pueden ser HGS (High Gravity Solids) y
LGS (Low Gravity Solids), el método más apropiado es el de remoción
mecánica. Para dicho método se recomienda el uso de una zaranda de
movimiento lineal, la cual provee un mejor transporte de sólidos
perforados y se puede operar en inclinación ascendente para proporcionar
una mayor retención liquida (Bautista, 2010).
Figura 1. Zaranda de movimiento lineal para el sistema de control de sólidos
Fuente: Jereh Drilltech.
4.2. Sistema de dewatering: las aguas de perforación contienen solidos finos
que no se pueden retirar mecánicamente en el sistema de control de
solidos por lo cual, estos seguirán acumulándose en el lodo. Por lo tanto,
la deshidratación o dewatering al sistema activo de lodo base agua es
necesaria (Bautista, 2010).
El sistema dewatering (figura 2) permite separar la fase liquida de la
sólida de los fluidos de perforación mediante procesos físico-químicos.
El proceso químico consiste en la adición de sustancias coagulantes y
floculantes para desestabilizar las cargas y aglutinar las partículas
mientras que el procedimiento físico, se refiere a la centrifugación del
fluido floculado para separar las dos fases. El agua resultante puede ser
reutilizada o ser dispuesta luego de pasar por tratamiento adicional en los
tanques de almacenamiento.
Tal como lo señala Munevar, Rubio y Toro (2006) se deben tener en
cuenta las siguientes especificaciones:
- Unidad de coagulación – floculación de 30 – 100 barriles, dotada con
agitador.
- Unidad de mezcla y dosificación de productos químicos de mínimo 6
barriles, dotada con bombas alimentadoras.
- Centrifuga decantadora de capacidad hidráulica 250 – 150 GPM
- Bomba de alimentación tipo tornillo de capacidad mínima 130 GPM
- Productos químicos que promuevan la floculación y coagulación
El objetivo del sistema de Dewatering es procesar los lodos de perforación para:
- Reducir el volumen de los desechos líquidos generados
- Reutilización del lodo
- Disposición de los sólidos y lodos
- Descarga en la fosa de lodos de manera ambientalmente segura
4.2.1. Funcionamiento del sistema de dewatering: tal como lo plantea Bautista
(2010) el sistema de deshidratación usa tanques individuales para la mezcla de
polímero, coagulante y recepción de agua limpia. Por lo tanto, se deben tener en
cuenta los siguientes aspectos:
a. Localización: el sistema, por lo general, debe ser ubicado delante de las
centrifugas para tener control sobre la descarga de sólidos de estas con el fin de
optimizar el proceso.
b. Tanque de lodo: tiene una capacidad de 40 barriles y está equipado con un
agitador para evitar la sedimentación de los sólidos y asegurar una mezcla
homogénea para la deshidratación. El lodo de perforación será bombeado desde
el sistema de control de solidos mediante una bomba neumática.
c. Bomba de alimentación: debe ser una bomba de desplazamiento positivo y
velocidad variable, para facilitar el caudal de entrada óptimo a la centrifuga de
deshidratación. Esta bomba envía una cantidad exacta de líquido, lo cual
permite mayor facilidad en el control del caudal. Se cuenta con un mezclador
estático para su procesamiento.
d. Tanque de polímero: es un tanque de doble compartimiento de 20 barriles cada
uno. Cada tanque debe ser equipado con un mezclador o agitador eléctrico de
paleta. De igual manera, la bomba de inyección de polímero será equipada con
un múltiple de succión.
Un compartimiento del tanque estará funcionando mientras que un lote de
solución de polímero es preparado en el otro compartimiento. Esto con el
objetivo de asegurar la operación continua del sistema y dar un uso más
eficiente al polímero, el cual tendrá el tiempo suficiente para rendir al máximo
potencial de mezcla.
e. Bomba de polímero: esta bomba desplazará el polímero del compartimiento del
tanque y tendrá un impulsor variable de velocidad para garantizar el nivel de
concentración óptimo del polímero.
f. Tanque de dilución/ agua limpia: tiene dos compartimientos de
aproximadamente 20 barriles cada uno. El agua procesada volverá de la
centrifuga de deshidratación a un compartimiento. Cuando esté lleno, cualquier
sólido remanente se sedimentará y el agua limpia rebosará al otro lado. Dichos
sólidos sedimentados deben ser limpiados periódicamente y procesados con los
generados por los equipos de control de sólidos.
g. Bomba dilución de agua: debe ser una bomba centrifuga, la cual estará al lado
del tanque de agua de dilución y mezclador estático para ayudar en el proceso
de deshidratación. Tendrá una línea de recirculación para retornar al tanque de
agua donde se succionará y la velocidad de alimentación será controlada por el
ajuste de las válvulas sobre la línea de recirculación y las líneas de alimentación
Esta bomba se utilizará también para el almacenamiento del agua procesa o para
la preparación de nuevo lodo.
h. Mezclador estático: contiene dentro de deflectores un múltiple de tubulares para
la ayuda eficaz en la mezcla de los diferentes componentes de deshidratación.
De igual manera, debe tener conexiones a la bomba de lodo, bomba de agua de
dilución y la bomba de polímero, en ese orden.
Al lodo ingresado al mezclador múltiple y que está próximo a la mezcla con
agua de dilución se le agrega la mezcla de polímero floculante y de ser
necesario coagulante.
Una válvula al final del mezclador permite tomar muestras y observar la
formación de flocs y la claridad del agua antes que la mezcla entre en la
centrifuga.
i. Centrifuga dewatering: debe ser instalada en un soporte de altura variable para
permitir al efluente descargar por gravedad al tanque de agua limpia y permitir
que las descargas de solidos descarguen al tornillo transportado principal. Esta
centrifuga proporcionará una capacidad de procesamiento entre 700 – 800
barriles por día.
Una vez obtenida el agua del dewatering se realizarán pruebas de compatibilidad con el
lodo de perforación para reciclarla inmediatamente, si el agua no es compatible se realizará
el tratamiento de clarificación para su posterior disposición.
Los flóculos depositados en el fondo del tanque serán evacuados periódicamente cada vez
que se acumule un 20% de la capacidad del tanque, estos serán bombeados mediante
bomba neumática al primer compartimento, para deshidratarlos por el sistema.
Figura 2. Sistema de dewatering.
Fuente: Cetagua.
5. Montaje del tanque desnatador o skim tank, tratador térmico, interceptor de
placas corrugadas CPI y unidad de filtración
5.1. Tanque desnatador: proporciona un alto tiempo de retención con el fin de
producir la coalescencia y la separación gravitacional del crudo, gas y agua.
Dicho tanque debe ser horizontal, ya que es más eficiente para el tratamiento de
agua porque las gotas de aceite no tienen que fluir contra la corriente de flujo
del agua (Jaimes Campos & Pico Jimenez , 2009 ) .
Figura 5. Tanque desnatador o skim tank
Fuente: Ecopetrol S.A.
Tal como lo indica Jaimes y Pico (2009) inicialmente el flujo ingresa a una bota
de gas para hacer la separación previa del gas y el fluido, donde las burbujas de
gas ascienden al tope del skim tank. Posteriormente, el flujo se dirige al centro
del tanque y este sube de forma vertical para luego ser distribuido
adecuadamente dentro del tanque.
Las gotas de aceite se unen y se acumulan en la sombrilla inferior del tanque, la
cual posee un tubo que permite el ascenso del crudo atrapado en la caja de aceite
ubicada en el tope del skim tank. El aceite que no fue atrapado en la sombrilla
superior pasa por un costado de la misma donde se forma una nata, la cual
rebosa a la caja de aceite.
Mientras tanto, el agua se asienta en la parte inferior del tanque y sale a través
de un tubo que tiene perforaciones. Dicha agua es succionada por bombas
centrifugas, las cuales alimentan el siguiente proceso.
5.2. Tratador térmico: será de tipo directo donde el calor es transferido por
contacto directo de la corriente alimentada con la superficie interna del calentador.
Este tipo de tratador puede manejar mayores volúmenes de fluidos con menor gasto
de combustible (Marfisi y Salager, 2015).
El funcionamiento del tratador térmico consiste en que la alimentación debe ser
parcialmente desgasificada, luego es direccionada hacia la parte de abajo del equipo
para la separación del agua libre y la arena. Después, la alimentación es calentada y
sufre una última desgasificación. Posteriormente, a través de un distribuidor pasa a
un baño de agua para finalmente pasar a la sección de coalescencia. De igual
manera, se deben instalar “hidrojets” para remover los sedimentos que se acumulen
en la parte inferior del equipo (Marfisi y Salager, 2015).
En general, el calentamiento de las aguas residuales tiene las siguientes ventajas:
- Reduce la viscosidad de la fase continua.
- Incrementa el movimiento browniano y la colisión de las gotas de agua para
su coalescencia.
- Incrementa la diferencia de densidad entre la salmuera y el crudo
- Promueve una mejor distribución del desemulsionante
- Disuelve las parafinas cristalizadas que le dan estabilidad a las emulsiones
- Debilita la película de emulsionante que rodea a las gotas de agua.
Luego, el agua resultante del anterior proceso será direccionada al interceptor de
placas corrugadas, la unidad de filtración y por último, al sistema de tratamiento
de aguas residuales tal como se describió anteriormente.
5.3. Interceptor de placas corrugadas: El agua resultante del proceso anterior
se someterá a un segundo proceso de tratamiento a través de un interceptor de
placas corrugadas CPI con el fin de remover el crudo restante en la corriente.
Este crudo puede ser redireccionado al tanque desnatador o a los filtros según
sus características fisicoquímicas.
Figura 6. Interceptor de placas corrugadas CPI
Como lo indica Jaimes y Pico (2009) el eje de las corrugaciones es paralelo a la
dirección de flujo, con una inclinación estándar de 45 ° donde el agua es forzada
a fluir hacia abajo y así poder remover las partículas de aceite remanentes. Las
gotas de aceite ascienden en sentido contrario al flujo de agua y se concentran
en el tope de cada corrugación formando una capa en la superficie.
El interceptor de placas corrugadas posee las siguientes ventajas:
- La remoción del 90% de aceites y solidos
- El aumento de separación con placas inclinadas
- Tiene tamaño compacto y peso ligero
- Tiene bajo costo de capital
- No hay partes móviles para reemplazar
- Tiene bajo costo de mantenimiento
5.4. Unidad de filtración: son tanques cerrados y a presión que se usan para la
filtración de sólidos en suspensión y aceites insolubles contenidos en el agua de
producción. El proceso de filtración consiste en el ingreso del agua cerca de la
parte superior de la unidad donde esta baja a través del lecho filtrante. El agua
filtrada fluye a través del lecho y sale cerca de la base del filtro, mientras que las
gotas de aceite y partículas sólidas se quedan atrapadas dentro del lecho.
Figura 7. Unidad de filtración
Fuente: New gas & oil
Las ventajas del filtro tal como lo señala Jaimes y Pico (2009) son las
siguientes:
- Alta remoción de aceites y sólidos suspendidos en agua.
- Bajo costo
- Equipo diseñado con dimensiones específicas de acuerdo a la necesidad de
operación.
- Fácil instalación y mantenimiento
- Operación sencilla en filtros manuales, semiautomáticos o automáticos.
- Disminuye el consumo de químicos para la limpieza del techo filtrante en el
ciclo de retrolavado
- Fácil consecución y bajo costo del lecho filtrante.
Por su parte, como lecho filtrante se utiliza la cascara de nuez, obtenida a partir
del fruto de la palma africana, debido a sus propiedades oleofilicas, las cuales
permiten la remoción de aceite de las aguas residuales de la actividad petrolera.
Adicionalmente, para limpiar los lechos de filtración se usa un ciclo de
retrolavado. Las aguas provenientes de dicho ciclo se transfieren a un
decantador, el cual las clarifica para luego ser recirculadas al sistema de
tratamiento de aguas residuales.
Figura 8. Decantador
Fuente: Logismarket
6. Instalación del sistema de tratamiento de aguas
El agua obtenida en los procesos anteriores se transferirá a tanques de
almacenamiento para luego realizar la disposición final adecuada. Los tanques
de almacenamiento serán tipo frac tank o catch tank.
Figura 3. Tanque de almacenamiento tipo frac tank
Fuente: MSC Consultoría y Monitoreo Ambiental S.A.S., 2013
Figura 4. Tanque de almacenamiento tipo catch tank
Fuente: MSC Consultoría y Monitoreo Ambiental S.A.S., 2013
El proceso del sistema de tratamiento de aguas es el siguiente:
6.1. Tanque de almacenamiento o recolección: este taque recibirá el agua del sistema
dewatering. Está equipado con una bomba centrifuga para bombear el fluido al
tanque de tratamiento.
6.2. Tanque primario de tratamiento: recibe el agua del tanque de almacenamiento o
recolección y se compone de lo siguiente:
6.2.1. Tanque químico: tanque doble de metal para aplicación y mezclado de químicos.
Tiene una línea de aire con agujeros para que cause la agitación y mezcla de los
productos químicos cuando el aire comprimido es bombeado a través de él.
6.2.2. Bomba centrifuga: toma la succión del tanque primario o secundario de tratamiento
y se bombea de nuevo al tanque químico a través de la aireación de la manquera que
mezcla los químicos.
6.2.3. Aireación/ mezcla de productos químicos: la tubería PVC será instalada en el
perímetro del tanque y estará perforado con una serie de agujeros. Cuando se
bombea agua, esta fluye en forma de aspersión aireando el fluido y causando una
mezcla mecánica química.
6.2.4. Los productos químicos se deben determinar mediante la ejecución diaria de
pruebas piloto sobre el líquido a tratar. El líquido se debe analizar en un laboratorio
en campo y un laboratorio externo para asegurar el cumplimiento de la
normatividad ambiental. La bomba centrifuga bombeará el líquido en el punto de
disposición
6.2.5. Se utilizará una bomba de aire de diagrama para limpiar los sólidos sedimentados en
el tanque cada dos o tres días, los cuales pueden ser mezclados con el lodo para
deshidratar y luego procesarlos con el resto de sólidos.
6.3. Tanque secundario de tratamiento: funcionará de forma similar que el tanque
primario de tratamiento. Es necesario para mantener un tanque en operación
mientras que el otro es limpiado, lo cual permite un funcionamiento continuo y el
aumento de la capacidad.
6.4. Tanque de almacenamiento y dilución: en este tanque se hará el ajuste de
propiedades debido a que las aguas tratadas a menudo tienen alta conductividad y
no cumple las normas ambientales de descarga. La dilución se hace con el agua
tratada y el agua dulce bombeada desde la fuente hídrica. La mezcla se realiza en
proporciones adecuadas, se mezcla y se descarga dentro de los parámetros
ambientales
7. Adecuación del área para el lavado y mantenimiento de equipo
Al interior de las plataformas multipozo, se destinará un área demarcada e
impermeabilizada para el lavado y mantenimiento de equipo. Dichas áreas contaran con
las estructuras de recolección de las aguas residuales skimmer para el almacenamiento
de las aguas resultantes de esta labor, las cuales se incorporaran posteriormente al
sistema de tratamiento de aguas residuales descrito anteriormente.
Figura 5. Estructura skimmer
Fuente: Maderplast
8. Establecimiento de la tubería para la descarga del agua tratada
El agua tratada será bombeada a través de una tubería de 4” o 4 ½” de diámetro
hacia el punto de vertimiento. Sin embargo, antes de la descarga a la quebrada San
Albertico se deben realizar análisis para asegurar el cumplimiento de la
normatividad ambiental.
9. Operación de la planta de tratamiento
A continuación se muestra el proceso propuesto que deben seguir las aguas
residuales industriales generadas en cada etapa hasta su disposición final.
9.1. Etapa de perforación:
9.2. Etapa de pruebas de producción
9.3. Etapa de operación
Sistema de control de
solidos
Sistema de dewatering
Sistema de tratamiento
de aguas residuales
Descarga de agua
tratada
Tanque desnatador o
skim tank
Interceptor de placas
corrugadas CPI
Unidad de filtración
Decantador Sistema de
tratamiento de aguas residuales
Descarga de agua tratada
10. Lavado y mantenimiento de equipo
Con el fin de garantizar la eficiencia permanente de los equipos de tratamiento de
aguas residuales industriales, se debe realizar un lavado y mantenimiento regular
para eliminar solidos remanentes que puedan alterar las condiciones del agua tratada
así como disminuir la capacidad del equipo. De igual manera, dentro de los
procesos propuestos se plantearon alternativas para no interrumpir el tratamiento de
los vertimientos durante el mantenimiento de los equipos, lo cual aumenta la
eficiencia y asegura que las descargas de agua cumplan con los parámetros
establecidos en la normatividad ambiental.
11. Elaboración de pruebas de laboratorio en campo
Se utilizarán los equipos de prueba portátiles necesarios. Se realizarán por lo menos
una vez al día por cada descarga y se recomiendan las siguientes: pH, temperatura,
turbiedad, color, cloruros, conductividad y sulfatos. De igual manera, se debe llevar
registro de los resultados obtenidos.
12. Realización de pruebas de laboratorio particular
Se deben tomar muestras cada 7 días para ser enviadas a un laboratorio externo que
posea los equipos requeridos para su análisis. Dichas muestras se deben tomar aguas
arriba y aguas abajo del punto de descarga y en el agua tratada lista para descarga.
Referencias
Bautista Puente, L. A. (2010). Manejo de desechos y deshidratación (dewatering) de los
fluidos de perforación base agua. Lima, Perú: Universidad Nacional de Ingeniería.
Tanque desnatador o
skim tankTratador termico
Interceptor de placas corrugadas
CPI
Unidad de filtración
Decantador Sistema de
tratamiento de aguas residuales
Descarga de agua tratada
Garnica Martínez , E. (Octubre de 2011). Tesis de Ingeniera geologica . El ingeniero
geologo y su participación en la industria petrolera en el registro de hidrocarburos.
México, D.F. , México : Universidad Nacional Autónoma de México.
Jaimes Campos , D. M., & Pico Jimenez , M. I. (2009 ). Trabajo de grado ingenieria de
petroleos . Diseñoo de la planta de tratamiento de aguas residuales y de producción
evaluando las diferentes alternativas nacionales y extranjeras - aplicación Campo
Colorado. Bucaramanga, Colombia : Universidad Industrial de Santander.
Marfisi, S., & Salager, J. L. (30 de Enero de 2015). Deshidratación de crudo . Obtenido de
Estrucplan:
http://www.estrucplan.com.ar/Producciones/entrega.asp?IdEntrega=3129
Méndez Ortiz , B. A. (2007 ). Tesis de doctorado en ciencias hidrogeoquimicas .
Geoquímica e isotopía de aguas de formación de campos mesozoicos de la cuenca
del Sureste de México: implicación en su origen, evolución e interacción agua -
roca en yacimientos petroleros. México, D.F., México : Universidad Nacional
Autónoma de México .
Munevar Ramírez, L. D., Rubio Ramírez, M. C., & Toro Valbuena, M. (2006). Manual de
procedimientos para el manejo de cortes y fluidos de perforación. Bogotá, D.C. ,
Colombia : Universidad Industrial de Santander .