UTILIZACION DE INHIBIDORES DE INCRUSTACION VERDES Y SUSTENTABLES EN LA INDUSTRIA DE PETROLEO Y GAS
Rubén Daniel Avaro, CEO de Aloetrade America LLC.
© by Rubén Daniel Avaro, 2024.
Introducción y Causas de la Incrustación
La incrustación es una condición que afecta a diversos aspectos de la industria del petróleo y gas, ya sea a nivel de producción en los pozos o bien en su transporte y refinación y posterior distribución.
La producción de hidrocarburos se encuentra asociada a una cierta cantidad de agua, conocida como agua de producción, la cual se encuentra saturada con sales minerales que mayoritariamente son oriundas del yacimiento, y dan origen a la formación de las incrustaciones.
Uno de los grandes problemas de la explotación de estos recursos es que, a medida que se agota el yacimiento se va incrementando la cantidad de agua en el mismo, haciendo mas agudos los depósitos de estas sales.
Este fenómeno es causado por fluidos asociados a la producción de hidrocarburos, por cambios en las condiciones termodinámicas, cinéticas e hidrodinámicas bajo las cuales estos fluidos son producidos.[1]
La principal causa de formación de incrustaciones es la presencia de iones disueltos, en especial iones de calcio [Ca2+] e iones de magnesio [Mg2+], los cuales están disueltos en el agua. Los cationes [Ca2+] reaccionan con los aniones bicarbonato [HCO3-] y carbonato [CO32-], también en solución, y que tienen su origen en el dióxido de carbono [CO2] disuelto naturalmente en el agua.
De esta manera se produce un proceso de cristalización el cual da origen a la formación de precipitados de carbonato de calcio (CaCO3) los cuales son responsables del tipo más común de incrustaciones[2].
Además del carbonato de calcio (CaCO3), existen otros compuestos de naturaleza incrustante como lo son el sulfato de calcio (CaSO4), el sulfato de estroncio (SrSO4) y el sulfato de bario (BaSO4).
La formación de incrustaciones comienza cuando cualquier condición fluída natural se altera en una forma que excede el límite de solubilidad de uno o más de sus componentes.
Así, el CaCO3 es uno de los tipos más comunes de incrustación que ocasiona cuantiosas pérdidas a la industria.
Las incrustaciones son depósitos cristalinos inorgánicos que se forman como resultado de la precipitación de sólidos en salmueras presentes en los reservorios o en los sistemas de flujos de producción.
La precipitación de esos sólidos ocurre como resultado de los cambios en la composición iónica, pH, presión y temperatura de la salmuera.
Una caída en la presión y/o un incremento en la temperatura de la salmuera, usualmente lleva a la precipitación de incrustaciones de carbonato, tales como el CaCO3.[3]
En resumen, los carbonatos de calcio, se forman debido a presión parcial del CO2, cambios de temperatura, sales totales disueltas y pH.
El sulfato de calcio se forma debido a cambios temperatura, sales totales disueltas y niveles de presión, mientras que el sulfato de bario se forma por diferencias de temperaturas y de presión.
Por último, el sulfato de estroncio se origina en diferencias de temperatura, sales totales disueltas y presión.
Como Afecta a la Industria
Los reservorios secundarios -constituido principalmente por compuestos químicos inorgánicos- también se ven particularmente afectados por la incrustación.
En los pozos convencionales y en los pozos no convencionales, tanto los fluidos nativos de una formación, como los cambios en la termodinámica, cinética y las condiciones hidrodinámicas en que dichos fluidos existen y son producidos, pueden llevar a la creación de incrustaciones.
La incrustación puede reducir la formación de porosidad y permeabilidad cuando se desarrolla en los poros de la formación, especialmente cuando esto ocurre cerca del pozo.
La incrustación también puede bloquear el flujo normal cuando las perforaciones están obstruidas o cuando una gruesa capa se forma en las paredes del tubo de producción.
La reducción del flujo genera una disminución de presión, y con ello disminuye la producción. Cuando los minerales depositados en el yacimiento tienden a crecer, se dificulta aún más el acceso a secciones más profundas del pozo, y finalmente las incrustaciones terminan por bloquear el flujo de producción.[4]
La incrustación también puede cubrir y dañar a los equipos de terminación, tales como válvulas de seguridad y de mandriles de gas (gas artificial lift system mandrels).
Las torres de enfriamiento y los intercambiadores de calor en las destilerías de petróleo, también sufren fuertes procesos de incrustación. Los fluídos de fractura hidráulica, por su parte, usualmente deben atacar incrustaciones por el agua que utilizan en áreas remotas.
En la industria gasífera, las incrustaciones se producen por incompatibilidad entre fluidos de formación, producción e inyección, presentándose en diversas zonas de la cadena de valor del gas natural, comprometiendo la integridad, buen estado y tiempo de vida útil de las instalaciones, traduciéndose en incrementos en los costos operacionales de la industria[v].
Según un trabajo, la problemática de incrustaciones viene asociada con las siguientes consecuencias principales[vi]:
- Altos costos de producción.
- Inconvenientes en los procesos de inyección de agua para la recuperación secundaria de crudo.
- Utilización de procesos de limpieza química y mecánica que resultan costosos y agresivos respecto a los materiales que conforman las líneas de producción.
- Fallas prematuras en bombas y otros equipos.
- Problemas de corrosión bajo depósito.
En los campos donde la presencia de agua es considerable, o en aquellos en los que se utiliza inyección de agua para la recuperación secundaria de petróleo, los problemas de incrustación pueden ser más graves y pueden aumentar con el tiempo.
Si esta incrustación se resuelve de manera mecánica, dicha eliminación debe llevarse a cabo cada vez con mayor frecuencia.
Desde hace unos años, se han desarrollados métodos tanto físicos como químicos para la remoción de las incrustaciones. Los métodos físicos utilizan tratamientos mecánicos y los químicos utilizan diluciones ácidas.
Los mecánicos son eficientes pero de elevado costo, a la vez que los químicos tienen menor costo pero traen problemas operacionales y un elevado costo ambiental por ser altamente contaminantes.
Por lo tanto, lo recomendable es realizar trabajos preventivos sobre los tubos o los equipos de terminación para evitar la formación de incrustaciones.
Esto puede hacerse como un tratamiento complementario después de la eliminación mecánica de la incrustación. Usualmente, luego de haber controlado ciertos parámetros operacionales –como la presión, temperatura o caudal- se suelen usar los compuestos químicos.
El problema es que el control de los parámetros operacionales es dificultoso en operaciones continuas, y por ello el uso de compuestos químicos que modifiquen la precipitación de las sales es el camino más práctico.
Pero estos inhibidores de incrustaciones que interactúan con los cristales precipitados bajo diferentes mecanismos, generan un elevado costo ambiental para las empresas, a la vez que son vulnerables a los sistemas operacionales del sistema donde se aplican.
Como mencionamos anteriormente, las incrustaciones son depósitos secundarios constituidos por compuestos químicos inorgánicos presentes en un sistema antropogénico.
Como se ha mencionado, esas incrustaciones pueden generarse por los cambios en las condiciones termodinámica, cinética e hidrodinámica cuando los fluidos de la formación son producidos, o por incompatibilidad fisicoquímica mutua entre fluidos de producción y fluidos de inyección, entre otras causales.
A consecuencia de ello, se puede poner en peligro la integridad, buen estado y tiempo de vida útil de las formaciones geológicas, los pozos de producción y de inyección, las instalaciones de superficie y las tuberías, con un incremento de los costos operativos en la industria.
En resumidas cuentas, las incrustaciones originan muchos problemas en la industria del petróleo, entre los cuales destacamos los siguientes:
- Disminución en la productividad de los pozos.
- Taponamiento en la matriz y las fracturas de la formación productora.
- Taponamientos en la cara de la formación.
- Obstrucción de los disparos.
- Restricción de flujo a través de las tuberías (taponamiento del aparejo de producción y las líneas de flujo)
- Mal funcionamiento de bombas y válvulas de seguridad de superficie y fondo.
- Imposibilidad de trabajar con línea de acero.
- Cambios totales o parciales de líneas y accesorios.
- Costos adicionales para la recuperación de líneas y equipos mediante la
- Utilización de métodos de remoción (métodos mecánicos y/o químicos).
- Re-perforación de pozos productores afectados gravemente por incrustaciones.
- Pérdida de tiempo y dinero en el mantenimiento de líneas y equipos.
- Se requieren tratamientos frecuentes (limpiezas, estimulaciones ácidas e inyección cíclica de agua dulce).
- Aumentos en los costos de producción debido a la implementación de programas de control de incrustaciones (inhibidores químicos y sistemas mecánicos).
- Incrementos en el peso de las varillas de bombeo mecánico y en consecuencia aumento en la carga de levantamiento para la unidad de superficie.
- Incremento en el costo y consumo de los combustibles debido al aumento en la presión de las bombas de transferencia, incremento de la potencia de la máquina.
El Problema de la Incrustación en Mexico
En México, la problemática de las incrustaciones en el Campo Cantarell -por citar sólo un ejemplo-, han originado un cúmulo de intervenciones remediativas.
Uno de los principales problemas que presenta el Campo Cantarell es la producción de agua con tendencias incrustantes, debido a la alta cantidad de sólidos disueltos, que al experimentar cambios termodinámicos, originan precipitación de diferentes especies minerales (sales inorgánicas).
Estas sales, obstruyen el flujo dentro de las tuberías de producción y líneas de escurrimiento, generando por lo tanto la disminución de la producción del pozo y por ende del campo.[vii] Los mismos autores (García Montoya B., et al, 2015), describen varias causales en la formación de incrustaciones, entre ellas:
- Aumento o disminución de la presión
- Aumento o disminución de la temperatura
- Cambios en la velocidad y turbulencia del o los fluidos
- Aumento o disminución de la salinidad
- Aumento o disminución del pH
- La mezcla de dos o mas aguas incompatibles
- Las operaciones de levantamiento artificial para recuperación de los hidrocarburos
La Remoción de las Incrustaciones
Las incrustaciones en la industria del petróleo pueden ser removidas por métodos mecánicos y mediante el uso de productos químicos. La selección del método para remover incrustaciones depende de:
- La adherencia de la incrustación
- Espesor de la incrustación
- Tipo de incrustación
- Costos de remoción de la incrustación por uno o por otro método
Los métodos pueden ser usados por separado o juntos para dar una mayor eficiencia al trabajo. [viii]
Remoción Química
La remoción de incrustaciones con productos químicos es usualmente el método más usado sobre todo cuando las incrustaciones se ubican en puntos de difícil acceso.
Por ejemplo, los carbonatos son muy solubles en ácido clorhídrico y, por lo tanto, se pueden disolver con menor dificultad.
Las incrustaciones duras de sulfatos son más difíciles de eliminar porque tienen un grado muy bajo de solubilidad ácida.
Una vez que se ha formado la incrustación, debe ser removida para minimizar los problemas causados por la misma.
En las líneas de flujo algunas veces las incrustaciones están cubiertas por parafinas o películas finas de aceite que obstruyen la labor del agente removedor de incrustación.
En estos casos es necesario agregar surfactante al ácido para darle mayor penetración, en algunos casos es necesario inyectar solventes para diluir asfaltenos o aceite caliente para parafinas.
Para la remoción de incrustaciones y algunos otros depósitos se utilizan los siguientes tipos de químicos:
- Ácidos (para los carbonatos)
- Álcalis (para los sulfatos)
- Ácidos orgánicos, sales y secuestrantes.
- Surfactantes, solventes orgánicos, etc.
El ácido clorhídrico (HCl) es generalmente utilizado cuando el responsable de las incrustaciones es el carbonato de calcio. Esto se debe a que en presencia de HCl el pH del agua disminuye promoviendo la disolución del CaCO3.
La remoción de incrustaciones con HCl ofrece beneficios en cuanto a costo y efectividad se refiere, sin embargo, este método debe ser aplicado con especial atención para prevenir problemas de corrosión en las instalaciones que puedan presentarse, a causa del bajo pH, por lo cual se utiliza el ácido en presencia de compuestos que inhiben la corrosión.
La principal desventaja de trabajar con tratamientos de remoción química basada en ácidos o álcalis, es la aparición temprana de corrosión en las tuberías, por lo cual después de realizar este tipo de tratamientos es necesario inyectar inhibidores de corrosión.
Por otra parte, el uso de agentes quelantes es apropiado para los sistemas donde los problemas de incrustaciones son ocasionados tanto por carbonatos como por sulfatos de calcio.
Su efecto es formar complejos selectos y solubilizar los cationes metálicos divalentes (Ca2+, Ba2+, etc.) que constituyen la incrustación.
Sin embargo, este método es apropiado sólo cuando las concentraciones de dichos cationes en el medio no son muy altas, de lo contrario se necesitarían grandes cantidades del agente quelante para atraparlos, lo que se traduce en altos costos del tratamiento.
Los tratamientos químicos convencionales empleados en la mitigación de este fenómeno pueden ser de naturaleza orgánica e inorgánica.
Los inorgánicos son principalmente a base de fosfatos condensados, como los polimetafosfatos o los fosfatos dimetálicos, que actúan sobre la formación de las incrustaciones atrofiando el crecimiento de los cristales (Nowack 2003), mientras que los compuestos orgánicos (polifosfatos, polifosfonatos, policarboxílicos y polimeliatos) tienen un efecto quelante sobre los iones que forman la incrustación (Nowack 2003).
La mayoría de estos productos están constituidos por compuestos químicos sintéticos, poseen un alto impacto ambiental por no ser biodegradables, y adicionalmente requieren tratamiento previo para su disposición. [ix]
Remoción Mecánica
Las soluciones mecánicas para eliminar depósitos minerales ofrecen una amplia variedad de herramientas y técnicas aplicables en las tuberías de pozos y en la formación.
Los dispositivos que se introducen en tuberías y viajan a través de ellas son los llamados “diablos” y son utilizados para la remoción de depósitos incrustantes poco adheridos y para arrastrar sólidos después de un trabajo de remoción con productos químicos.
Los diablos pueden ser de espuma, de platos de caucho, de cepillos y mixtos (platos de caucho con cepillos).
En operaciones en el fondo de pozo los diablos no pueden ser utilizados, por lo tanto se emplean algunas herramientas especiales como cortadores de parafinas, cepillos para el casing y empacadores tipo squeezes.
La Solución Tradicional de Prevención de las Incrustaciones
Como hemos analizado, las incrustaciones han sido mitigadas en gran medida mediante el uso de las tecnologías convencionales a base de compuestos químicos (polifosfato, poliacrilatos, compuestos carboxílicos, entre otros).
Sin embargo, el uso de ácidos acarrea el problema de la corrosión, con lo cual se incrementa el costo pues deben utilizarse inhibidores de corrosión.
Pero la principal desventaja radica en que todas las soluciones químicas convencionales generan pasivos ambientales y representan altos costos para la industria. En resumen, son productos con alta responsabilidad ambiental y totalmente dañinos al medio ambiente, afectando a personas, plantas, animales, y afectando la biodiversidad.
Nuestra Solución Verde y Sustentable
En los últimos años se han desarrollado nuevas formulaciones de tratamientos químicos antiincrustantes basadas en productos sustentables, también llamados de química verde.
Estas soluciones tecnológicas ofrecen eficiencias muy similares a los productos convencionales, pero con la gran ventaja que no representan ningún riesgo al medio ambiente, y están en línea con las nuevas tendencias emergentes en las políticas, reglamentos e incentivos a nivel nacional e internacional.
Aloetrade America LLC ha desarrollado productos y soluciones tecnológicas amigables con el medio ambiente que sustituyen el uso de productos contaminantes.
Aloetrade America LLC ofrece ahora un nuevo producto totalmente natural y sustentable para solucionar los graves problemas de incrustaciones generadas en la industria petrolera y de gas.
El producto STOPSCALE™ – INHIBIDOR DE INCRUSTACION PARA PETROLEO Y GAS
STOPSCALE™ es un producto totalmente natural, sustentable y biodegradable formulado a base de polisacáridos, enzimas, aminoácidos y antraquinonas obtenidas de polímeros naturales -quitosano, nopal y aloe- para su uso como inhibidor de incrustaciones en diversos procesos de la industria de petróleo y gas.
STOPSCALE™ es un inhibidor de incrustación para uso frecuente en la industria de petróleo y gas, para ser utilizado en forma preventiva en las formaciones geológicas, los pozos de producción y de inyección, las instalaciones de superficie y las tuberías, las torres de enfriamiento, así como los ductos de transporte, tanto de petróleo como de gas.
STOPSCALE™ es una formulación propia de Aloetrade America LLC a base de polisacáridos (manosa y galactosa), enzimas, aminoácidos y antraquinonas del aloe, polisacáridos del nopal (arabinosa y galactosa) y de polisacáridos (manosa y galactosa) y aminoácidos del quitosano, los cuales, todos ellos interactúan con los iones divalentes que causan incrustaciones como el CA++ y el MG++
Asimismo, los polisacáridos de estos compuestos crean una película protectora contra las incrustaciones de carbonato o de sulfato. Dichos polisacáridos tienen mecanismos de inhibición especialmente dirigidos a los cambios de nucleación de los cristales de carbonato de calcio.
En los polisacáridos presentes en STOPSCALE™, la acción inhibidora de la incrustación proviene principalmente de la galactosa y la manosa presentes en el producto.
Los polisacáridos consisten en moléculas de azúcar simples. STOPSCALE™ es un extracto purificado a base de aloe, nopal y quitosano, entre otros compuestos vegetales.
Dicho aloe contiene moléculas de azúcares que tienen seis átomos de carbono, conocidas como hexosas. Estas moléculas de azúcar están compuestas por glucosa, n acetilmanosa y galactosa, las cuales se encuentran enlazadas formando cadenas cortas, largas o muy largas.
Cuando esas cadenas de azúcares contienen seis o más hexosas y un peso molecular de 1000 Daltons o más, son considerados polisacáridos. Según la definición estos polisacáridos pueden ser considerado biopolímeros que presenta una repetición compleja.
El polímero natural formado por el aloe, el nopal y el quitosano ofrece excelentes resultados para la inhibición de incrustación del carbonato de calcio y una adecuada tasa de efectividad de inhibición sobre el carbonato de calcio.
Asimismo, STOPSCALE™ no ocasiona corrosión lo cual lo diferencia de los otros ácidos convencionales usados en este tipo de tratamientos.
Por todo ello, STOPSCALE™ puede ser usado en concentraciones altas como bajas de calcio, no se precipita por causa de hidrólisis y es termalmente estable hasta los 125 grados centígrados. Puede ser usado no sólo en altas temperaturas sino también con aguas de alta dureza.
STOPSCALE™ es una combinación de componentes naturales, esto es, aloe, nopal y quitosano. Por ello, STOPSCALE™ es un producto totalmente natural, sustentable y biodegradable que ha sido desarrollado con el objetivo de ofrecer un producto ecológico y respetuoso del medio ambiente para las operaciones en la industria de petróleo y gas.
STOPSCALE™ es un producto de la química verde, que minimiza los problemas de aseguramiento de flujo en las líneas de producción de hidrocarburos y disminuye la contaminación en las actividades de producción, muy especialmente en operaciones de tipo off-shore y en operaciones de fracking, donde la contaminación es altamente cuestionada por diversos actores y la comunidad en su conjunto.
STOPSCALE™ es un producto “verde” frente a productos de la química sintética que degradan el medio ambiente. El uso de aloe, el nopal y el quitosano como desincrustante es favorable al medio ambiente en todas sus formas, pues cuida el agua, la tierra y el aire, sin contaminación alguna.
Para mayores informaciones sobre nuestra solución tecnológica visite la pagina del producto STOPSCALE™.
[1] Vetter O.J., “Oilfield Scale – Can We Handle It?”, SPE 5879, 1976.
[2] NALCO, Trends and Advances in Scale Control, 2004, Bulletin B-346
[3] Patterson D., Kendrik M., Williams W., JORDAN M., “Squimulation – Simultaneous Well Stimulation and Scale-Squeeze Treatments in Deepwater West Africa”, SPE Production and Operation, February 2013.
[4] Crabtree M., Eslinge D., Fletcher P., Miller M., Johnon A., and King G. “Lucha contra las incrustaciones. Remoción y Prevención”. Oilfield Review, Otoño 1999. Pag. 30 – 49.
[v] Castillo L., “Estudio de la factibilidad técnica de la aplicación de biopolímeros y efecto de las nanoparticulas en el tratamiento de la incurstacion y corrosión en la industria del gas”, Universidad Central de Venezuela, 2005.
[vi] Perez, R. “Predicción de Incrustaciones de CaCO3 en Líneas de Producción de Crudo”. PDVSA-Maracaibo.2005.
[vii] García Montoya B., Lozada M.A., Cortes M.A., Nequiz. F.A., Perez J.A., “Exitoso Tratamiento de estimulación no convencional en yacimientos naturalmente fracturados, evitando incrustaciones inorgánicas durante ocho meses”, Pemex – Halliburton, Peru Conference, Nov. 2015
[viii] Rojas Martínez, Francisco, Estudio del Efecto de la Formación de Incrustaciones Minerales en el Aparejo de Producción sobre el Comportamiento de Pozos Productores de Aceite, UNAM, 2014
[ix] Torino E., et al “Química Verde para Tratamiento de Incrustaciones”, XIX Convención Internacional del Gas, Caracas, 2010.