Separa¸c˜ ao ´ Agua/ ´ Oleo

O processo de separa¸c˜ao da ´agua produzida da fase oleosa foi um dos primeiros conceitos de processo de separa¸c˜ao submarina empregado. Os benef´ıcios desse pro- cesso s˜ao decorrentes da redu¸c˜ao da press˜ao de coluna d‘´agua na linha de produ¸c˜ao

o que proporciona uma maior produ¸c˜ao e um maior fator de recupera¸c˜ao do reser- vat´orio. Al´em disso, a implementa¸c˜ao desses sistemas pode reduzir ou at´e mesmo eliminar a necessidade do processamento de ´agua na superf´ıcie. Essa caracter´ıstica ´e especialmente interessante em campos maduros que produzem grandes volumes de ´agua. Nesses casos a separa¸c˜ao submarina ´e uma alternativa atraente, frente `a amplia¸c˜ao da planta de superf´ıcie, para o desengargalamento da produ¸c˜ao. A Tabela 2.1 apresenta uma lista com as principais projetos que implementaram industrial- mente um processo de separa¸c˜ao submarina de ´agua produzida. A Equinor1 possui referˆencia de dois projetos que implementaram um processo de separa¸c˜ao subma- rina ´agua/´oleo, o primeiro empregou um separador convencional e o outro utilizou tecnologia compacta para promover a separa¸c˜ao. A Petrobras tamb´em possui um separador ´agua/´oleo em opera¸c˜ao no campo de Marlim. O processo foi projetado para desengaragalar a produ¸c˜ao limitada pela capacidade da planta de tratamento de ´agua oleosa, devido `as elevadas vaz˜oes de ´agua.

Tabela 2.1: Projetos de separa¸c˜ao submarina ´agua/´oleo Projeto Ano Operador /

Localiza¸c˜ao Tecnologia Troll C

Pilot 1999

Equinor/ Noruega

Convencional, ciclones (g´as), bomba de inje¸c˜ao Tordis

SSBI 2007

Equinor/ Noruega

Semi-Compacto, ciclones (g´as), bomba de inje¸c˜ao, bomba

multif´asica Marlim

SSAO 2012

Petrobras/ Brasil

Convencional, harpa (g´as), ciclone (´agua), bomba de inje¸c˜ao

A descri¸c˜ao dos projetos Troll C Pilot e Tordis SSBI, apresentada neste trabalho, foi baseada naquela reportada por DAVIES et al. (2010). O projeto Troll Pilot foi instalado no ano de 1999 em uma lˆamina d’´agua de 340 m. O processo consiste de dois equipamentos principais: um vaso de separa¸c˜ao gravitacional ´agua/´oleo e uma bomba de inje¸c˜ao de ´agua produzida. O principal objetivo do projeto era au- mentar a capacidade de tratamento de g´as e ´oleo pela remo¸c˜ao e reinje¸c˜ao de ´agua. O projeto foi concebido para priorizar robustez e eficiˆencia na separa¸c˜ao em detri- mento da flexibilidade de manuten¸c˜ao. Neste sentido, o projeto foi conservativo em rela¸c˜ao `a dimens˜ao do separador, sendo dimensionado um vaso horizontal com 12 m de comprimento, 2,8 m de diˆametro e com o m´ınimo de internos. N˜ao foram previstas modulariza¸c˜oes que permitissem um f´acil acesso para manuten¸c˜ao. Uma das inova¸c˜oes do projeto foi a inclus˜ao de ciclones, localizados na entrada do separa-

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dor, que pudessem realizar uma pr´e-separa¸c˜ao g´as/l´ıquido com menor cisalhamento poss´ıvel minimizando a dispers˜ao entre as fases aquosa e oleosa. Essa caracter´ıstica reduziu a necessidade de se instalar internos no vaso para promover a coalescˆencia das part´ıculas de ´agua. Um sistema de remo¸c˜ao de areia foi concebido dentro da filosofia de funcionalidade do sistema, evitando uma parada prematura do processo pelo ac´umulo de s´olidos. Uma bomba centr´ıfuga de sete est´agios, capaz de gerar uma press˜ao diferencial de 150 bar, foi empregada para inje¸c˜ao da ´agua. Uma v´alvula choke foi instalada ap´os a bomba de inje¸c˜ao visando garantir a estabilidade do loop de controle da bomba. O controle de n´ıvel do vaso de separa¸c˜ao foi realizado atrav´es da manipula¸c˜ao da velocidade de rota¸c˜ao da bomba de inje¸c˜ao. Dois sistemas de detec¸c˜ao de n´ıvel foram considerados inicialmente no projeto: um com princ´ıpio nu- cleˆonico e outro com princ´ıpio indutivo. O sistema nucleˆonico foi qualificado para a aplica¸c˜ao submarina sendo capaz de identificar a interface ´agua/´oleo e de detectar a emuls˜ao formada na interface g´as/´oleo. O sistema indutivo n˜ao foi capaz detectar a interface g´as/´oleo e foi empregado como um sistema secund´ario (redundante). Al´em disso, o sistema nucleˆonico pode ser substitu´ıdo sem a necessidade de shutdown do processo j´a o indutivo n˜ao. O sistema Troll Pilot contribuiu significativamente para o aumento de produ¸c˜ao desde sua instala¸c˜ao e estima-se que 5,6106 m3 de ´agua foram separados e injetados desde 1999 at´e 2010.

O processo de separa¸c˜ao submarina no campo de Tordis contou com a experiˆencia adquirida no projeto Troll Pilot. No projeto Tordis foi poss´ıvel conceber um pro- jeto modularizado que permitisse acesso independente aos principais sistemas do processo. Foi adotada uma tecnologia de separadores compactos para realizar a separa¸c˜ao ´agua/´oleo e um sistema de manejo de areia foi novamente instalado. O processo contou ainda com bombas de hidrocarbonetos (multif´asicas) e de inje¸c˜ao de ´agua al´em de sistemas adicionais de seguran¸ca. O projeto teve como fato moti- vador o aumento da produ¸c˜ao de ´agua nos po¸cos maduros e o engargalamento da produ¸c˜ao devido `a limita¸c˜ao da planta de tratamento de ´agua na superf´ıcie. Du- rante a fase de an´alise econˆomica diversos cen´arios foram avaliados. O cen´ario de maior rentabilidade foi aquele capaz de produzir a maior quantidade de ´oleo o mais breve poss´ıvel. O projeto eleito, SSBI (Subsea separation, boosting and injection), baseou-se na redu¸c˜ao da press˜ao na cabe¸ca do po¸co pelas instala¸c˜ao dos esquipa- mentos submarinos de separa¸c˜ao. A expectativa era de um incremento na produ¸c˜ao de at´e 55%. O separador foi concebido de forma n˜ao usual com uma rela¸c˜ao com- primento/diˆametro elevada (17 m por 2,1 m), o g´as ´e separado por um sistema ciclˆonico localizado na entrada do processo e ´e guiado atrav´es de um bypass at´e final do separador onde se encontra com a corrente oleosa j´a separada da fase aquosa. A mistura de hidrocarbonetos ´e ent˜ao enviada para a plataforma Gullfaks atrav´es de uma bomba helico-axial multif´asica. A corrente de overflow do ciclone, cons-

Figura 2.1: P&ID simplificado do projeto Tordis SSBI.

titu´ıda por uma fase aquosa e por outra oleosa segue para um sistema compacto onde as fases s˜ao separadas por gravidade. O tempo de residˆencia no vaso separador ´e inferior a 3 min. A ´agua produzida segue para inje¸c˜ao atrav´es de uma bomba de inje¸c˜ao similar `aquela empregada no projeto Troll C Pilot (bomba centr´ıfuga de cinco est´agios). O projeto da bomba foi melhorado visando aumentar a tolerˆancia `a presen¸ca de areia, para isso foi empregado carbeto de tungstˆenio como material de fabrica¸c˜ao. A Figura 2.1 apresenta um diagrama simplificado, P&ID (Process and Instrumentation Diagram), do processo submarino de separa¸c˜ao descrito. O sistema de controle foi concebido para regular o n´ıvel da interface ´agua/´oleo e a press˜ao do vaso atrav´es da manipula¸c˜ao da velocidade de rota¸c˜ao das bombas de inje¸c˜ao e mul- tif´asica respectivamente. O sistema de remo¸c˜ao de areia opera de forma autom´atica sendo acionado por um sinal de n´ıvel alto a partir do qual inicia-se a forma¸c˜ao de v´ortices que favorecem a fluidiza¸c˜ao e remo¸c˜ao da areia acumulada. Os principais componentes utilizados no sistema de controlado est˜ao listado a seguir:

• Sensor multif´asico do tipo nucleˆonico;

• Sensores de n´ıvel capazes de detectar g´as, ´oleo, ´agua e areia (nucleˆonico e capacitivo);

• Sensores de press˜ao e temperatura;

• V´alvulas de controle on/off com atua¸c˜ao eletro-hidr´aulica para o sistema de remo¸c˜ao de areia;

• Sistema de monitoramento e diagn´ostico de falhas.

O Separador Submarino ´Agua- ´Oleo (SSAO), desenvolvido pela Petrobras, foi instalado no campo de Marlim em 2012. O SSAO foi concebido com objetivo de aliviar o processo de tratamento de ´agua oleosa na superf´ıcie. Ao longo da vida ´util da unidade estacion´aria de produ¸c˜ao (UEP) o aumento da vaz˜ao de ´agua passou a comprometer a produ¸c˜ao de ´oleo e g´as devido ao engargalamento da planta de processamento de ´agua oleosa. O SSAO foi considerado o primeiro projeto de se- para¸c˜ao submarina de ´agua/´oleo em ´aguas profundas a reinjetar a corrente aquosa no mesmo reservat´orio produtor. O g´as presente na corrente proveniente do po¸co produtor ´e removido do l´ıquido por diferen¸ca de densidade em um sistema compacto e tubular denominado harpa. Esse separador ´e formado por diversos canais que se ramificam ao longo do escoamento com intuito de estabilizar o fluxo do l´ıquido que seguir´a para o vaso de separa¸c˜ao ´agua/´oleo. A ´agua ´e separada da fase oleosa em um separador gravitacional, a fase oleosa se une `a corrente gasosa localizada na sa´ıda da harpa e segue para superf´ıcie (Figura 2.2).

Devido `a dimens˜ao reduzida do vaso separador esperava-se uma grande forma¸c˜ao de incrusta¸c˜oes. Um sistema de desarena¸c˜ao foi previsto para minimizar o n´umero de opera¸c˜oes de flushing necess´arias para remover a areia. Um arranjo de hidrociclones em s´erie foi projetado para garantir que a quantidade de ´oleo nos po¸cos de inje¸c˜ao n˜ao ultrapasse 100 ppm.

ALBUQUERQUE et al. (2013) reportaram que a Petrobras est´a avaliando, atrav´es de projetos conceituais, o desenvolvimento de um sistema de separa¸c˜ao ´

agua/´oleo aprimorado, capaz de receber produ¸c˜ao de um manifold ou de po¸cos

de alta capacidade. Diferentemente do SSAO pioneiro, foram consideradas tecno- logias compactas de separa¸c˜ao ´agua-´oleo com intuito de atender lˆaminas d’´agua mais profundas e uma maior vaz˜ao. As tecnologias avaliadas foram separadores tubulares, hidrociclones com capacidade de tratar alto teor de ´oleo e coalescedo- res eletrost´aticos. O processo proposto consiste em um sistema de pr´e-separa¸c˜ao g´as/l´ıquido, similar `aquele adotado no SSAO com posterior remo¸c˜ao dos s´olidos atrav´es de um ciclone. Para separa¸c˜ao ´agua/´oleo foi proposto um separador tubu- lar ou um hidrociclone especial capaz de separar grandes quantidades de ´oleo. A ´

agua separada nesse processo ´e ent˜ao enviada para um separador eletrost´atico ca- paz de quebrar as emuls˜oes favorecendo a separa¸c˜ao entre a ´agua e o ´oleo. O ´oleo segue para unidade de superf´ıcie demandando tratamento adicional para enquadrar o BS&W (Basic sediment and water ). A ´agua segue para um trem de hidrociclones e posteriormente para as bombas de reinje¸c˜ao.