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SEMINARIO: GESTION INTEGRAL DE
RESIDUOS SOLIDOS
UNIDAD 4. Procesos de Tratamiento y Eliminación
(Disposición Final)
Trabajo Colaborativo: Gestión
Especializada de Residuos, Solución Innovadora.
Tema No.2 “GESTIÓN DE LODOS DE PERFORACIÓN DE POZOS EN EL SECTOR DE
HIDROCARBUROS”
Docente: Mgr. CARLOS ARTURO ÁLVAREZ MONSALVE
Tutora:
DIANA MARCELA GRANADOS.
Alberto García Jerez, Silvia Arredondo, Martha Cecilia Aldana Ortiz yLuis Alfredo Lozada Pérez. |
Estudiante Maestría en Desarrollo Sostenible y Medio Ambiente, Universidad
de Manizales
alberto.garcia@unad.edu.co, arredondo.sa@gmail.com,
mcaldanao@libertadores.edu.co
Y luis.lozada@corhuila.edu.co
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Resumen. El fluido de perforación o lodo
como comúnmente se le llama, puede ser cualquier sustancia o mezcla de
sustancias con características físicas y químicas apropiadas, como por
ejemplo: aire o gas, agua, petróleo o combinaciones de agua y aceite con
determinado porcentaje de sólidos. Al regresar a la superficie traen ripios
formados por arena, arcilla y rocas. Las cuales se tratan por sacudidoras de
arcilla desarenadoras y centrifugas. Los lodos retornan al hoyo de
perforación y su tratamiento final depende de la composición, la mayoría de
estos se componen de arcillas bentonitas (lignosulfonato, carbonato de sodio
calcinado, caústica y otras sustancias menores fáciles de tratar por procesos
de floculación. Los más difíciles de eliminar son los conformados de KCl y
otros polímeros y aditivos químicos.
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Palabras: Lodo de Perforación, Ripios, Desorción
Térmica, Pirólisis, descargas, sub suelo, manto marino, crudo, fluidos, viscosidad, hidrocarburos, toxicidad, preservación, contaminación, filtración, densidad.
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1.
INTRODUCCIÓN
Los lodos de perforación son fluidos complejos que suelen
poseer varias propiedades, de acuerdo al papel y usos. El lodo de perforación
debe remover el calor producido por el trabajo de la barrena; por su papel de
agente enfriador contiene agua. También debe lubricar las partes móviles, y por
eso contiene aceite.
Además deben ser densos; y por eso contiene sólidos
suspendidos como la bentonita, u otras arcillas. Finalmente debe ser viscoso
para no "perderse" en las formaciones y para arrastrar el residuo de
molienda de la barrena. Adicionalmente debe contener inhibidores de corrosión.
La composición típica de los lodos de perforación incluye
agua, aceite y sólidos suspendidos, y a veces burbujas de gas. El agua y el
aceite se encuentran en forma de emulsiones de aceite en agua (oil-in-wáter,
o/w)), la más corriente ó emulsiones de agua en aceite (wáter-in-oil,
w/o). Los surfactantes de los lodos de perforación actúan como emulsionantes,
dispersantes, espumantes o antiespumantes, e inhibidores de corrosión.
Los lignosulfonatos son los agentes dispersantes más
utilizados. Al dispersar las partículas de arcilla y otros sólidos, evitan la
formación de grumos y ayudan a mantener la homogeneidad del fluido, reduciendo
así las pérdidas por filtración lateral. Los agentes emulsionantes más usados
en lodos O/W son los alquil aril sulfonatos, particularmente los sulfonatos de
petróleo, y los alquil fenoles etoxilados.
En los lodos de base aceite (W/O) se usan sales de iones
divalentes (calcio o magnesio) de ácidos de resinas o de sulfonatos de
petróleo. Se usan adicionalmente sulfonatos de asfalto o sulfonatos de
triglicéridos como agentes lubricantes surfactantes
Los fluidos usados en la perforación retornan a la
superficie durante la perforación. Como principal función es sacar el ripio
(arcillas, arena entre otros minerales). La mayoría de los desperdicios de los
lodos son agua, bentonita (arcilla). En la perforación se utilizan sustancias químicas
dando como resultado una mezcla compleja se sustancias químicas que reaccionan
y forman diferentes compuestos.
La mayoría de los lodos de perforación es a base de
bentonitas (Lignosulfunados, carbonato de sodio, calcinado, etc.) que no son
tan tóxicos y se pueden tratar por floculación fácilmente. Contrario a fluidos
de perforación como son las emulsiones invertidas, lodos de KCL y con
contenidos de polímeros tóxicos.
2. ASPECTOS GENERALES
Un surfactante es una sustancia cuya molécula posee una parte
polar y una parte apolar. Son compuestos cuyas estructuras moleculares
contienen tanto grupos hidrofílicos (que atraen en agua) como grupos
hidrofóbicos (que repelen el agua). Cuando se agregan a un medio acuoso, las
moléculas de surfactantes forman estructuras denominadas micelas.
2.1Gestion de residuos sólidos en Colombia.
Un pozo típico de 16000 pies
(5kilometros) de profundidad genera 4000 barriles de corte compuestos en su
mayoría por arena, arcilla, minerales y aditivos. La mayoría genera contaminación
por el contacto del fluido de perforación que se impregnan de residuos de
aceites y otros contaminantes.
En la perforación de un pozo, se
utilizan, en promedio, 1.94 l/s de agua (Asociación Colombiana del Petróleo,
1999). Un pozo emite, en promedio, 0.9 l/s de aguas residuales. Su
concentración promedio de DBO es de 49 mg/l, y de SST es de 564.6 mg/l, La
eficiencia promedio de remoción de DBO, STT y grasas y aceites de los sistemas
de tratamiento de las aguas residuales provenientes de las actividades de
perforación de pozos es del 37%, 27% y 36% respectivamente (Tecno gerencia,
2000).
Los lodos que se utilizan para
hacer las perforaciones se almacenan en piscinas, no siempre recubiertas para
evitar la contaminación del suelo y las aguas subterráneas. Cuando no se
recubrían las paredes de los pozos, se presentaban problemas de contaminación
de aguas subterráneas con los fluidos de perforación y aguas salinas.
El manejo de los lodos y los cortes de
perforación (ripios), los cuales representan un riesgo para la calidad del
entorno. Los Lodos y ripios de perforación contienen trazas de;
• Líquidos cementantes, coagulantes y
espumantes utilizados durante la operación del taladro
• Grasas y aceites de los equipos
• Residuos sólidos domésticos e industriales
• Aguas residuales domésticas e industriales
• Emisiones atmosféricas (gases; ruido; olores
ofensivos)
• Fluidos de formación.
Existen amplia gama de lodos pero en Colombia
se considera:
-Lodo base agua, el cual incluye varias
opciones de manejo ambiental en función de la sensibilidad del entorno y de la
importancia ecológica del área de influencia.
- Lodo base aceite, considerado de
mayor riesgo en virtud de sus propiedades y composición, por lo cual se
recomienda minimizar su utilización.
-Lodo base KCl, el cual implica la necesidad de
tratamiento para reducir la salinidad, así como la aplicación de solventes.
- Sistema de espuma, que usa espuma estable con
detergentes químicos o polímeros, o un generador de espuma para transportar los
cortes en una utilización.corriente de aire de movimiento rápido.
El manejo de los fluidos y desechos de
perforación debe adelantarse en concordancia con las características del lodo y
de las facilidades de tratamiento disponibles en el taladro. Sin embargo, los
productos finales deben cumplir los parámetros y calidades establecidos por las
autoridades ambientales correspondientes.
Funciones de los fluidos de perforación:
Ya sea que se utilice en trabajos
encaminados a detección de contaminantes, exploración minera, mecánica de
suelos o en la industria petrolera, el fluido o Lodo de perforación debe
cumplir con las siguientes funciones:
• Enfriar y lubricar la broca y
la tubería de perforación.
• Limpiar la broca y el fondo del
barreno.
• Transportar (flotar) los
recortes a la superficie y removerlos del fluido.
• Proporcionar estabilidad al
barreno (evitar que se formen cavidades en el barreno).
• Prevenir la pérdida excesiva de
fluido en formaciones permeables.
• Evitar daños a las formaciones
productivas y maximizar su producción.
• Proporcionar integridad a la
salud del personal.
Cada una de las funciones
anteriores está sujeta a variación dependiendo del equipo de perforación, las
condiciones en el interior del barreno, por ejemplo, temperatura y presión, y
el tipo de formación geológica a perforar (ver figura). Se puede asegurar que
no existe un fluido maravilloso o milagroso que resuelva todos los problemas de
perforación. Sin embargo, sí existe un gran desarrollo tecnológico con el
objetivo de preservar las condiciones naturales del subsuelo.
Es importante resaltar que la
aplicación del mejor fluido conjuntamente con el equipo de perforación más
moderno, pueden no brindar los resultados deseados y convertirse en un total
fracaso cuando el equipo humano carece de la experiencia necesaria para una
correcta aplicación del fluido y el adecuado uso de la maquinaria (Cetco,
1998). Cabe señalar que los operarios son escasos, debido a que estos equipos
no son fabricados en México, son de un alto costo y no existen instituciones
que capaciten en su manejo. Como consecuencia, el personal debe capacitarse en
Estados Unidos, principalmente, o recibe instrucción cuando se adquiere el
equipo.
Características de los fluidos o Lodos de Perforación:
Con base en diferentes
experiencias en campo se observó que para reducir el impacto de los fluidos de
perforación al subsuelo y los mantos acuíferos se debe tener un estricto
control de los siguientes parámetros: densidad, viscosidad, capacidad de
filtración, contenido de arena y pH.
La densidad de un fluido de
perforación se ve afectada por el porcentaje de sólidos (arenas) presentes en
dicho fluido. La gráfica 1 muestra una relación del porcentaje de sólidos y la
densidad aproximada del lodo de perforación.
Del gráfico anterior se concluye
que la capacidad máxima de acarreo de un lodo es de 20 por ciento de sólidos
presentes y que a mayor cantidad de arenas, la permeabilidad de la formación
geológica se verá seriamente afectada, mayor será el desgaste del equipo de perforación,
y las propiedades del lodo serán disminuidas.
Para minimizar esta problemática
se sugieren las siguientes formas de controlar los sólidos en un lodo:
• Dilución con agua.
• Diseño de cárcamos que
incrementen el tiempo de sedimentación (largo y poco profundo).
• Succión de la bomba en
“suspensión” (por encima del fondo del cárcamo).
• Separación mecánica (cedazos
vibradores o ciclones centrífugos).
• Uso de ligno sulfatos como
adelgazante químico.
2.1Gestion de residuos sólidos en Europa y Estados
Unidos.
Los procesos para la
recuperación/valorización de residuos producidos, así como residuos generados
en empresas con las que se mantienen relaciones comerciales, a partir de
tecnologías innovadoras y eficientes que pudiesen ser adaptables a entornos
industriales de forma práctica. Residuos con hidrocarburos procedentes de
operaciones de refinería (lodos y tierras de escombrera, lodos de fondos de
tanques, lodos de refinería). La valorización energética: desorción térmica,
pirólisis de baja temperatura, gasificación, utilización de microondas y
utilización de infrarrojos son alternativas en la transformación.
La
pirólisis es la descomposición térmica directa del material en ausencia de
oxígeno, entre temperaturas que pueden estar entre los 400 y los 900ºC, para
obtener un arreglo de productos sólidos, líquidos y gases que pueden ser
aprovechados como combustible o como materia prima para la síntesis de otros
productos. A pesar de los proyectos de investigación relacionados con el tema,
que se han venido llevando a cabo durante los últimos años, el desarrollo de la
tecnología de pirólisis no ha avanzado a un buen ritmo a nivel industrial.
Utilización de infrarrojos. En relación
a la utilización de esta tecnología para el tratamiento de residuos, no se
conocen empresas que lo estén desarrollando y aplicando. La utilización de la
tecnología IR podría favorecer el aprovechamiento de residuos con un alto
contenido de agua, mejorando su poder calorífico y haciéndolos aptos para su
utilización como combustibles de sustitución, con la utilización de una
instalación de bajo coste. Por otra
parte, esta variante del proyecto pretende probar el tratamiento de desorción
de residuos por infrarrojos para reducir el contenido de volátiles de los
residuos que se traten.
La utilización de microondas. Una de las
ventajas más importantes que ofrece este tipo de tecnología es la reducción
significativa del tiempo de tratamiento, debida a la interacción directa de la
energía de las microondas con el material a tratar, permitiendo un
calentamiento mucho más homogéneo de todo el volumen de residuo. Un punto
importante a considerar será la determinación del potencial de los residuos
objeto de estudio de interactuar con las microondas, determinando su grado de absorbencia,
ya que la energía de las microondas es absorbida selectivamente según el tipo
de compuesto.
CARACTERIZACIÓN
DE RESIDUOS PARA VALORIZACIÓN ENERGÉTICA
Residuos con hidrocarburos procedentes de operaciones de
refinería (lodos y tierras de escombrera, lodos de fondos de tanques, lodos
de refinería)
|
|
Humedad (%)
|
50 - 85
|
Materia orgánica (%)
|
8 - 25
|
Cenizas
|
7 - 30
|
PCI (Kcal/kg)
|
0 - 4.600
|
Halógenos totales Cl (%)
|
≤ 0,2
|
S (%)
|
< 1,5
|
Cd (ppm)
|
< 1
|
Tl (ppm)
|
< 1
|
Hg (ppm)
|
≤ 1,3
|
As (ppm)
|
≤ 200
|
Pb (ppm)
|
< 83
|
Cr (ppm)
|
≤ 785
|
Co (ppm)
|
< 2,5
|
Cu (ppm)
|
≤ 623
|
Mn (ppm)
|
≤ 353
|
Ni (ppm)
|
≤ 107
|
V (ppm)
|
≤ 264
|
Sn (ppm)
|
< 25
|
Sb (ppm)
|
< 10
|
PCBs (ppm)
|
< 10
|
3.
CONCLUSIONES
-Los impactos ambientales de los
procesos de exploración, perforación y producción de los yacimientos de
petróleo y gas natural son similares.
-En la fase de exploración, los
impactos ambientales más significativos se relacionan con la apertura de
trochas, deforestación y descapote de múltiples pequeñas áreas de
aproximadamente media hectárea en territorios extensos, para permitir el
aterrizaje de helicópteros.
-La erosión y la afectación de las
corrientes de agua son frecuentes. El 37% de las áreas donde se ha hecho
exploración en Colombia corresponde a bosques primarios.
-Los impactos ambientales de la producción se relacionan
principalmente con el manejo de lodos de perforación, los residuos sólidos y la
“estimulación” de los pozos mediante acidificación y fractura miento
hidráulico.
-En Colombia ha sido frecuente la
generación de pasivos ambientales inter-generacionales asociados a los procesos
de explotación.
-Con el fin de lograr la preservación del recurso agua
subterránea se aconseja analizar la situación de los acuíferos de interés en el
área de emplazamiento. En base a este conocimiento se procurará promover todas
las medidas viables para la reducción de la permeabilidad vertical, la
utilización de barreras de distinta índole entre el recurso y las sustancias
fluidas que se manipulen en la locación.
-La mezcla más difundida es agua-bentonita,
esta mezcla forma un lodo con características específicas de viscosidad (que
permiten acarrear los recortes generados por la acción de corte de la broca
hacia la superficie) y densidad que proporcionan la presión necesaria para
mantener la estabilidad del barreno, obteniendo con ello una perforación más
efectiva.
REFERENCIAS
- Viana. Javier. Guía para el tratamiento y eliminación de desperdicios de perforación y producción. Guía ambiental de Rapel número 4 .asociación regional de empresas de gas natural en América latina y el Caribe. www.arpel.org
- Jean-Louis SALAGER, USO DE LOS SURFACTANTES EN LA INDUSTRIA PETROLERA. UNIVERSIDAD de Los ANDES Mérida 5101 VENEZUELA, Escuela de INGENIERIA QUIMICA, 1991
- Fluidos de perforación. PDVSA Centro Internacional de Educación y Desarrollo (CIED
·
Bariod Industrial Drilling
Products, 1992. Dlilling Fluids Seminar. Baroid Training School. Houston,
Texas.
·
CETCO (Colloid Environmental
Technology Co.), 1998. 5th Annual Technical Drilling Seminar. Red Kodge, Mt.
·
Driscoll, Fletcher G., 1986. Ground
Water Monitoring. General Electric Co. Jhonson Division. St. Paul Minesota.
·
Petty Rebeca, Aller L., Nielsen
D., 1989, Hanbook of Sugested Practices for Design Monitoring Wells. National Monitoring Well
Association. Dublin, Ohio.
·
Sánchez Pérez J., 1996. Aspectos básicos
de geología para la biorremediación de suelos. Curso de biorremediación de
suelos y acuíferos. PUMA, UNAM.
