Otimização de processos de E&P e produção de P&G mediante utilização de nanofiltração

O segmento industrial de exploração e produção (E&P) offshore de petróleo e gás tem direcionado muitos esforços para a exploração de águas profundas no Brasil e na costa oeste da África. Alguns projetos estão localizados a distâncias superiores a 300 km da costa e a mais de 2.000 metros de profundidade. Devido à complexidade de se realizar a extração do petróleo nestas condições, a operação destes poços representa um enorme desafio em termos de logística e tecnologia, sendo os custos associados a esta atividade estimados entre US$ 100 milhões a US$ 300 milhões, enquanto o custo de um FPSO (unidade flutuante de produção, armazenamento e descarregamento) excede o valor de um bilhão de dólares. Essa crescente demanda de capital representa um grande risco financeiro para as empresas envolvidas nas operações de E&P que, para maximizar o retorno de investimento, protegem seus ativos de produção, incluindo infraestrutura submarina e poços.

A remoção de sulfato da água do mar utilizada nos processos de E&P é uma operação importante para assegurar que os poços de injeção e produção não sofram com a incrustação de sais de sulfato de bário e estrôncio, que precipitariam no sistema caso a água do mar fosse utilizada sem passar por tratamento prévio. A remoção do sulfato da água do mar evita que o mesmo se acumule nos poços e reservatórios, minimizando a possibilidade de entupimentos e aumentando a produtividade do sistema como um todo. A remoção do sulfato também reduz a corrosão de equipamentos, previne a acidificação das reservas de petróleo e auxilia na manutenção da permeabilidade dos reservatórios.

No passado, esses problemas eram solucionados com altas dosagens de anti-incrustantes e outros químicos, tornando o processo intensamente dependente de mão-de-obra, economicamente ineficiente, de difícil controle e ambientalmente agressivo.

Atualmente, a forma mais comum de lidar com o problema é remover o sulfato da água do mar pela tecnologia de nanofiltração por membranas, cujos poros têm aproximadamente 1,0 nm de diâmetro, sendo ligeiramente maiores do que os das membranas de osmose reversa, porém menores do que os das membranas de ultrafiltração. Essas membranas são capazes de reduzir a concentração de sulfato da água do mar de 2.700 ppm para menos de 40 ppm.

Membranas de nanofiltração foram comercializadas pela primeira vez em 1984 para realizar a separação de íons divalentes de íons monovalentes em soluções aquosas. Este procedimento chamou a atenção da Marathon Oil, que utilizava água do mar para extrair o petróleo em plataformas offshore situadas em formações com altas concentrações de cátions divalentes, como cálcio, bário e estrôncio, em águas conatas associadas ao petróleo.

Nanofiltração para remoção de sulfato – O que constitui a nanofiltração ou uma membrana de nanofiltração não é bem definido. Muitos definem uma membrana de nanofiltração como uma membrana de osmose reversa que não apresenta uma rejeição de sais tão eficiente quanto a desta última. Na GE Water & Process Technologies, definimos uma membrana de nanofiltração como uma membrana que apresenta permeabilidade de cloreto de sódio proporcional à concentração desse sal elevada à uma potência maior que 0,4. Tais membranas rejeitam menos de 50% de sódio e cloreto quando filtrando água do mar (Eriksson et al. 2005).

A separação por nanofiltração ocorre principalmente pela exclusão de materiais particulados e sais devido ao tamanho de seus poros e à interações eletrostáticas. Para moléculas neutras, a rejeição por tamanho em relação ao diâmetro do poro da membrana é a maior responsável pela separação; já para espécies iônicas, tanto a exclusão por tamanho quanto as interações eletrostáticas são responsáveis pela separação. Para todas as aplicações, as características da carga da superfície e das paredes dos poros da membrana representam um papel fundamental no transporte da água e moléculas dissolvidas através da membrana. A carga da membrana de nanofiltração é diretamente dependente do pH, uma vez que grupos funcionais da membrana protonam e desprotonam dependendo do valor deste.

Como consequência, o pH afeta a performance de rejeição da membrana, dado que a carga influencia a repulsão eletrostática entre os íons ou moléculas carregadas e a superfície da membrana. Adicionalmente, devido à dissociação de grupos funcionais da membrana, o pH do sistema pode afetar a sua “abertura”. Isso afeta o mecanismo de exclusão de materiais particulados e sais devido ao tamanho dos poros da membrana. Finalmente, a interação de colóides dissolvidos com a membrana e subsequente incrustação da membrana também são dependentes do potencial zeta da superfície e da carga dos seus poros (Childress et. al. 2000).
Relacionando essas informações à água do mar, a superfície altamente carregada da membrana de nanofiltração proporciona a alta rejeição de íons divalentes como sulfato, magnésio e cálcio. Entretanto, a carga da superfície não é alta o suficiente para rejeitar íons monovalentes menos carregados, como sódio e cloreto. Em geral, quanto maior a força iônica da água do mar, menor é a rejeição de íons monovalentes. Moléculas não carregadas com mais de um nanômetro de diâmetro são totalmente rejeitadas.

A tendência de obstrução das membranas durante a operação é diretamente regida pela rugosidade de sua superfície, sendo a média quadrática típica desta última vastamente reportada na faixa de 30 a 100 nm (Yang et al. 2009, Hurwitz et al. 2010). Entretanto, alguns fabricantes são capazes de produzir membranas com rugosidade menor, que otimiza ainda mais o processo de remoção de sulfato, minimiza a obstrução das membranas, o consumo de energia e a necessidade de limpezas químicas e aumenta sua performance e seu tempo de vida. Este é o caso das membranas de nanofiltração para remoção de sulfato da GE Water & Process Technologies, que tipicamente apresentam 10 nm ou menos de rugosidade de superfície.



Membranas de Redução de Sulfato da GE – As membranas de redução de sulfato de água do mar da GE (SWSR, Seawater Sulfate Reducing Membrane) são membranas de nanofiltração desenvolvidas para a remoção de sulfato da água do mar. Elas são produzidas na robusta plataforma DK da GE, que tem sido utilizada há mais de 30 anos nas mais desafiadoras aplicações.

A SWSR proporciona uma eliminação de peso molecular de 300 Dalton, sendo uma barreira absoluta para qualquer sólido suspenso, incluindo partículas, sílica coloidal e material bacteriano. Benefícios adicionais da SWSR inlcuem:

• Prevenção à incrustração de sulfato de bário e de estrôncio nos poços de injeção;

• Mitigação da acidificação dos poços devido à redução do sulfato;

• Otimização para o uso em água do mar por suas caracteríscas hidrodinâmicas, resultando na vida mais longa da membrana;

• Estrutura única e comprovada da GE de 3 camadas de membranas, que minimiza a rugosidade e a aderência da superfície, e aprimora a resistência à obstrução;

• Disponível em versão de 440 pés² de área filtrante, para maximizar a área da membrana enquanto minimiza a área necessária para sua instalação;

• Apresenta propriedades superiores de remoção de dureza e sulfato;

• Compatível com químicos de limpeza já disponíveis no mercado;

• Pode ser associada à osmose reversa para produzir água com baixa concentração de sólidos totais dissolvidos com concentrações específicas de íons divalentes.

Pré-tratamento por ultrafiltração – Usualmente as unidades de remoção de sulfato demandam um pré-tratamento da água do mar para a remoção de sólidos suspensos e contaminantes antes de passar pelo sistema de nanofiltração. Tipicamente, as tecnologias de pré-tratamento empregadas tem incluído filtros cartucho e filtros multimídia, porém, recentemente, a ultrafiltração tem conquistado mais espaço entre os operadores de E&P para realizar essa tarefa, principalmente devido ao seu alto grau de automatização, ao menor consumo de químicos e ao tamanho de seus poros quando comparados aos filtros multimídia e cartucho.

A ultrafiltração é um processo de filtração por membrana em que o tamanho nominal dos poros é menor que 0,1 μm. Qualquer coisa maior do que o tamanho do poro da membrana é impedido de passar através da mesma. A ultrafiltração remove partículas grandes, bactérias, vírus e sólidos suspensos, porém, permite a passagem de elementos orgânicos e sais dissolvidos. Uma vez que os sais dissolvidos não são rejeitados pela membrana, este processo apresenta uma diferença de pressão osmótica desprezível, permitindo que seja realizado com baixa pressão (operante em pressões intramembrana de menos de ~2 barg). Membranas de ultrafiltração demandam retrolavagem e limpeza de manutenção para restabelecer a pressão intramembrana e ciclos de limpeza completa para restabelecer esta pressão integralmente.

A ultrafiltração é uma tecnologia bem estabelecida para uma série de diferentes aplicações em ambos segmentos, industrial e municipal, e tem atraído operadores de E&P de petróleo e gás devido à relação entre melhorias de pré-tratamento e a performance e longevidade de membranas de nanofiltração que ela proporciona. Um bom pré-tratamento que mantenha os níveis de SDI (Silt Density Index) abaixo de 3 tem demonstrado um impacto positivo nos sistemas de nanofiltração e osmose reversa. A ultrafiltração, que tipicamente produz um efluente com SDI menor do que 2, encaixa-se perfeitamente para o tratamento de água anterior às membranas de nanofiltração. Em adição aos benefícios já mencionados, a ultrafiltração também permite a redução da dimensão e peso do sistema como um todo, demanda pouca manutenção e é capaz de se adaptar a uma gama de variáveis da qualidade da água a ser tratada.

As membranas ocas de ultrafiltração da GE Water & Process Technologies foram projetadas com uma expectativa de vida robusta, dando confiança à operação do sistema de tratamento de água, sendo utilizadas em diferentes mercados e aplicações, inclusive como pré-tratamento para nanofiltração e osmose reversa. A GE oferece ultrafiltração pressurizada e imersa, sendo que cada uma delas oferece vantagens únicas a depender das características pontuais de cada projeto de remoção de sulfato.

As membranas de ultrafiltração pressurizadas da GE são ideais para aplicações de pré-tratamento de água salobra e dessalinização de água do mar. Elas utilizam fluoreto de polivinilideno (PVDF) de baixa incrustração em sua composição, resultando em redução da frequência das limpezas e deterioração das membranas devido à utilização de químicos. As membranas pressurizadas são uma boa opção para plantas compactas e/ou pré-moldadas de rápida entrega e instalação, assim como para soluções customizadas para cada necessidade específica.

As membranas de ultrafiltração imersas da GE são ideais para retrofits e pré-tratamento para sistemas de nanofiltração e osmose reversa. Elas produzem água com qualidade igual ou acima dos mais rigorosos padrões e demandam menos químicos, além de exigir área física reduzida. Os materiais utilizados nos módulos e cassetes são especialmente desenvolvidos para operar em ambientes de alta salinidade e minimizar o número de componentes e conexões do processo.

Conclusões – Unidades de remoção de sulfato previnem a formação de incrustações em estruturas de E&P. Uma unidade de remoção de sulfato típica consiste em trens de membranas de nanofiltração que diminuem os níveis de sulfato de 2.700 ppm para menos de 40 ppm. A redução do sulfato também elimina o substrato para bactérias redutoras de sulfato, reduzindo ao mínimo a acidificação da reserva de petróleo e complicações relacionadas à corrosão em equipamentos. A nanofiltração também pode ser utilizada para remover economicamente íons de dureza da água do mar, o que pode ser desejável em algumas formações de reservas de petróleo ou onde a diluição com água é necessária para transbordo de polímeros. A seletividade das membranas de nanofiltração para separar íons de dureza da água do mar é mais eficiente em pH inferiores a 7, preferencialmente entre 5 e 6, e depende da morfologia da membrana e suas propriedades intrínsecas. Operações contínuas de longo prazo de unidades de remoção de sulfato são otimizadas com um excelente pré-tratamento, preferencialmente por ultrafiltração.

Fonte: petroleoenergia.com.br

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