La sostenibilidad en el diseño de del esquema de producción NOC con satélites
Por Marco Bergel y María Florencia Cibau (YPF)
Esta investigación indaga sobre el modelo de captación y tratamiento de la producción de YPF en Vaca Muerta con satélites y las mejoras de sostenibilidad implementadas.
Este trabajo fue seleccionado en el 1º lugar en el Concurso de Eficiencia Energética y Huella de Carbono / Hídrica del 8° Congreso De Producción y Desarrollo De Reservas del IAPG, realizado en Noviembre 2023 en la Ciudad Autónoma de Buenos Aires.
Introducción
El desarrollo del NOC en Argentina está en aumento: se espera un importante incremento en la producción en los próximos 5 años. El acompañamiento de dicho crecimiento exige, entre otras cosas, un estudio de selección del modelo de desarrollo óptimo de los bloques, la mejora en las instalaciones de superficie y la captura de financiamiento. Ante esto, y sumando la conciencia ambiental corporativa e internacional, que exige metas de intensidad de emisiones para asegurar inversiones, se concluye que el desarrollo del NOC necesariamente requiere la incorporación de la sostenibilidad como valor, con foco en reducción de emisiones y eficiencia energética.
Este trabajo indaga sobre el modelo de captación y tratamiento de la producción con satélites y las mejoras de sostenibilidad incluidas en el diseño, presentando las mejoras:
La selección del modelo: Benchmarking y Estudio de Modelos de Desarrollo
El comienzo del desarrollo del NOC desde el punto de vista de instalaciones de superficie, se realizó siguiendo el mismo modelo que en la histórica producción de petróleo Convencional: Baterías. Las numerosas lecciones aprendidas y propuestas de mejora al modelo incorporadas durante la curva de aprendizaje en los últimos 10 años, sumada a la necesidad de optimización de las instalaciones de superficie para acompañar el incremento de producción, llevan a desafiar al propio modelo: ¿Es el modelo de baterías el más adecuado para el NOC?
El primer abordaje para responder el cuestionamiento se basa en un estudio tipo benchmark entre las diferentes operadoras de NOC en Argentina permitiendo definir los modelos a analizar y comparar:
Fig. 1 – Diagrama de bloques Modelo Baterías
Fig. 2 – Diagrama de bloques Modelo con Satélites
Modelo CPF: Modelo compuesto por una única instalación centralizada de separación primaria, compresión de gas y tratamiento de crudo, CPF.
Fig. 3 – Diagrama de bloques Modelo CPF
Una vez definidos los modelos, se definen 4 bloques “tipo” (chico, grande, XL y de alto GOR), para someterse a un análisis cualitativo de los principales ejes de interés: operación, construcción, desarrollo, Flow assurance, seguridad y ambiente.
Fig. 4 – Cuadro resumen – Ejes de análisis por modelo de desarrollo
Se observa en el cuadro resumen, que el resultado del análisis otorga la mayor valoración al Modelo Satélites.
Modelo Satélites
El Modelo Satélites se basa en la captación de la producción de wellpads en separadores bifásicos distribuidos estratégicamente en el bloque, llamados Satélites. Son instalaciones sencillas, no operadas, compuestas por un separador bifásico como equipo principal. El gas y líquido separado son enviados directamente, a las plantas de compresión de gas y tratamiento de crudo, respectivamente. Para lograrlo, la presión de operación ronda los 8 a 12 kg/cm2g. Es decir, hay un aprovechamiento de la energía propia del reservorio que permitirá llegar con presión hasta las instalaciones de compresión y tratamiento.
El gas de los satélites es enviado a una Planta Compresora (PC), donde es comprimido y deshidratado para su evacuación por gasoducto. El líquido por su parte es enviado a la Planta de Tratamiento de Crudo (PTC), donde se separa el crudo del agua, se realiza un tratamiento de crudo en dos etapas de lavado y se lleva a especificación el agua para inyección. Adicionalmente, y dado por la característica de las instalaciones de separación primaria (satélites), donde no se pasa por una etapa de almacenamiento en tanque, se incorporan en la PTC las facilidades necesarias para manejo del gas generado por la despresurización desde la presión de los satélites hasta la presión de ingreso a la PTC (4 kg/cm2g) y los venteos generados posteriormente en los tanques atmosféricos.
La configuración de un bloque desarrollado con este modelo está dada entonces por Satélites distribuidos en el campo y dos instalaciones centralizadas para compresión de gas (PC) y tratamiento de líquidos (PTC).
Fig. 5 – Diagrama de bloques detallado - Modelo con Satélites
Así como el gas de la compresión de la PTC en enviado a la PC para su compresión y deshidratación, los condensados de la PC son enviados a la PTC para su tratamiento.
Dependiendo de la altimetría del terreno y/o distancia a la PTC, podría ser necesaria la incorporación de un bombeo en línea desde los Satélites, que se presenta como un opcional en la instalación.
Ventajas del Modelo Satélites
La Sostenibilidad en el Modelo con Satélites
El Modelo con Satélites no solo trae ventajas desde el punto de vista operativo, constructivo, de desarrollo, Flow assurance, sino que también tiene importantes ventajas a nivel sostenible.
En el desarrollo de la producción de petróleo, trae aparejada indefectiblemente la aparición de puntos de emisión que se dividen en aquellos generados por el flasheo en tanques atmosféricos y los de combustión:
Resulta entonces evidente la necesidad de gestionar los puntos de emisión y focalizar el desarrollo del modelo en la reducción de paradas de VRUs y compresores.
Reducción de puntos de emisión
Una forma de gestionar más eficientemente los puntos de emisión es centralizándolos en la menor cantidad de instalaciones, permitiendo un mayor manejo y control.
Los satélites operan a presiones entre 8 kg/cm2g y 12 kg/Cm2g lo que permite que tanto el gas como el líquido fluyan de forma directa a la PC y PTC, respectivamente, evitando el paso por una etapa de almacenamiento en tanque para bombeo.
Esto reduce los puntos de emisión respecto al modelo de desarrollo anterior, en el cual se presentaba un punto de venteo por cada batería, sumado al de la propia PTC. En el nuevo modelo, solo se presentan venteos en la PTC y PC.
Mayor estabilidad en la carga de VRUs
Otro punto importante para reducir los venteos es evitar los paros de VRU. Para ello, se debe focalizar en estabilizar la carga a las mismas ya que es la inestabilidad en la presión de succión lo que implica paros recurrentes.
En el modelo Baterías, cada enganche de PAD, genera un marcado pico de producción. Los sucesivos enganches de PADs, producen entonces una marcada inestabilidad en la producción que ingresa a las baterías trasladándola hacia el ingreso de tanques y a la generación de venteos en los mismos, es decir, en la carga de la VRU. Actualmente, en los tanques de baterías se observan reiterados paros por este motivo que implican una reducción de la disponibilidad de las VRU entre un 40 y un 70%.
En el Modelo con Satélites, por las características intrínsecas del modelo, los picos de producción dados por los enganches de PADs son neutralizados en los propios satélites, donde no se pasa por una etapa de tanques. Las VRU, únicamente ubicadas en las PTC y PC, reciben un promedio de venteos asociados a la producción de todo el bloque, permitiendo una mayor estabilidad de carga en las VRU. Se espera entonces, una marcada reducción de paros de VRU.
Mayor estabilidad en la carga de compresores
Análogamente al beneficio aparejado que trae en las VRU la estabilidad en su carga, sucede con los compresores de la PC: cuanto mayor sea la estabilidad, más se reducirán los paros de compresores. Dado que, en caso de paro de compresores, el gas se ventea en antorcha, si se mejora la estabilidad, también se reducirán las emisiones de CO2.
En el Modelo Baterías, cada una de ellas ve una producción variable porque solamente recibe producción de una cantidad reducida de PADs generando picos de gas, que rápidamente decaen. La PC, por el otro lado, ve la suma de la producción de PADs de todo un bloque proveniente de distintas zonas, por lo que la variabilidad de caudal se compensa entre las distintas áreas. La suma de pequeños aportes da un caudal más estable.
Las baterías tienen venteo muy alto dada por la variabilidad de caudal de compresión que hace que los compresores paren y venteen gas. Por el contrario, la PC con más estabilidad en el caudal, generará entonces menos venteos.
Fig. 6 – Producción de Gas a Compresión
Comparación Modelo Baterías (arriba) vs. Satélites (abajo)
Como beneficio aparejado, la PC te permite aprovechar mucho mejor la potencia instalada. Esto se puede ver en la Fig. 6, con el área sombreada naranja. En el Modelo Baterías cómo el desaprovechamiento es mayor: una batería con 500MSMCD de capacidad instalada, posee en buena parte del tiempo1 o 2 compresores apagados. En la PC no solo el aprovechamiento es mayor, sino que esto permite disponer de un spare caliente. En baterías hay 3 compresores de 167MSCMD, pero sería prohibitivo disponer de un spare en caliente (cuarto compresor) siendo que, en caso de caída de una máquina, las 3 restantes deberían manejar 1/3 más de caudal y adicionalmente debería replicarse el compresor adicional en cada batería. En la PC, hay 9 compresores en total. En caso de caída de una máquina, cada uno de los compresores restantes tendrían que manejar 1/8 más de caudal, lo cual es perfectamente manejable y adicionalmente, al ser una única instalación es uno solo el compresor adicional.
De esta manera, se logra maximizar la disponibilidad de los compresores, reduciendo los paros y consecuentes venteos que generan emisiones de CO2.
Gathering asociado al Modelo Satélites
Junto con el nuevo diseño de las instalaciones del Modelo Satélites, se desarrolla el Gathering asociado, es decir, los ductos de PADs a Satélites y de Satélites a PTC y PC.
Para ello, se desarrollan filosofías integradas de manejo arena, deposición de parafinas, selección de materiales e integridad y manejo de slugs. Es en este último punto en el que se hace foco desde el lado de la sostenibilidad del modelo.
Los slugs están directamente relacionados con la baja disponibilidad de compresores y/o VRU por la generación de una inestabilidad en la carga de la instalación ante su aparición. Es por ello que se espera que un correcto manejo de slugs redunde en una disminución de paros de compresores y VRUs y consecuentemente reduzca las emisiones asociadas de CO2 y CH4.
Para ello, se incorporó:
La Sostenibilidad en Instalaciones del Modelo con Satélites: PTC y PC
Así como las características propias del modelo aportan a la sostenibilidad desde el punto de vista de reducción de puntos de venteos y estabilidad en la carga de las VRU, se implementan mejoras en las instalaciones de mayor magnitud que componen al modelo: PTC y PC.
Tecnología de captación de vapores: VRT+VRU+LP Flare
Siendo la generación de vapores en tanques uno de los principales focos de posible generación de emisiones, se busca mejorar la tecnología de captación de los mismos. Un punto clave a la hora de definir las tecnologías es el punto y presión de captación. Si los venteos fueran capturados únicamente desde el techo de los tanques, en caso de paro de las VRU, no habría presión suficiente para enviar los venteos desde los tanques hacia un Flare, ya que los mismos no disponen de presión de diseño suficiente. De esta manera, indefectiblemente se ventearía CH4.
La solución encontrada se basa en el agregado de desgasificadores tipo VRU en el ingreso de los tanques. Los mismos trabajan a una presión levemente superior a la presión de los tanques, 700mmca, lo que genera que la mayor parte de los venteos sean liberados en este punto. Luego, una VRU capta dichos venteos de baja presión (LP) para comprimirlos hasta la presión de succión de compresores y, en caso de paro de la misma, la presión en la VRT será suficiente como para que los venteos sean enviados y quemados en una antorcha de baja presión (LP Flare). Por otro lado, para capturar los venteos remanentes en el tanque, se dispone de una VRU de muy baja presión (LLP).
Los venteos entonces quedan segregados en venteos de LP y LLP y en caso de paro de las VRU de LP, las emisiones generadas serán de CO2, un gas menos contaminante que el CH4.
Es esperable una reducción de emisiones considerable con la mejora en la tecnología de captación, sumada a la mayor estabilidad en la carga de las VRU.
Fig. 7 – Tecnología de captación – Tanques con VRT
Fig. 8 – Tecnología de captación – LP Flare
Recuperación de vapores en TK Skimmer y TK Pulmón de Agua
En la PTC se incorpora la recuperación de vapores en tanques Skimmer y Pulmón de agua. Si bien los caudales de venteos generados son de menor magnitud que en los tanques de crudo, en caso de no recuperarlos se producirían sistemáticamente emisiones de CH4 en el techo de los mismos.
Adicionalmente, el tanque Pulmón de agua está diseñado como Skimmer, con el fin de asegurar la calidad de agua de inyección a pozos sumideros en caso de no disponer de este último.
Fig. 9 – Captacion de vapores en TK Skimmer y TK Pulmón
Menor consumo de agua dulce para lavado
Dentro del circuito principal de tratamiento de crudo, se encuentra el sistema de lavado para desalado del crudo. Es usual encontrar que dicho sistema de lavado se realiza en una única etapa, consumiendo grandes cantidades de agua dulce para lavado.
Siendo el agua dulce un recurso natural, es de gran importancia reducir y optimizar su uso. Para ello, se incorpora en la PTC del modelo satélites una segunda etapa de lavado que reduce considerablemente el consumo de agua dulce.
El lavado en dos etapas consiste en un equipo de separación mecánica y un tratador electrostático. El agua dulce se inyecta en el ingreso del tratador electrostático, donde se utiliza para lavar el crudo, se separa y luego se recircula a la primera etapa de lavado, para ingresar al separador.
Esta operación conlleva a un doble beneficio: menor consumo de agua de lavado por incorporar la segunda etapa y menor potencia de inyección, ya que, el agua que se utiliza para lavado luego debe inyectarse. Si el caudal es menor, consecuentemente menor será la potencia consumida para inyectar agua.
Fig. 10 – Desalado de crudo en dos etapas en PTC
Menor consumo de eléctrico
El nuevo modelo con satélites presenta entonces dos marcadas reducciones de consumo eléctrico: la asociada a la eliminación de los bombeos intermedios entre instalaciones de separación primaria y PTC y la asociada a la reducción de la potencia de inyección por el menor consumo de agua de lavado en PTC.
Si se totalizan los principales consumos eléctricos (bombeo de bruta de instalaciones de separación primaria a PTC, Bombeo de crudo de PTC a punto de evacuación, potencia de inyección de agua de lavado y agua de producción), se observa que con el Modelo Satélites se reduce en un 40% la potencia total de bombeo necesaria, respecto al Modelo Baterías.
Fig. 11 – Reducción de potencia total de consumo eléctrico
Mejoras en el diseño y control de la compresión de gas en PC
Siguiendo con la filosofía de maximizar la disponibilidad de la compresión evitando paros y consecuentes venteos, se aplicaron mejoras en la compresión y control de gas en la PC con una serie de puntos estratégicos:
Fig. 12 – Esquema de control de succión de compresores y recirculación en PC
Recuperación de BTEX y Gas de Stripping en PC
La PC posee una unidad de deshidratación de gas con TEG. En dicha unidad, se presenta un punto de emisiones a la salida del regenerador de la TEG, siendo una fuente de venteo de benceno, tolueno y xileno (BTEX), CH4 y vapor de agua. El BTEX es dañino para la salud humana y muy contaminante de la atm. Además, el y por su parte el CH4, que es utilizado como gas de stripping, tiene un poder de calentamiento global de 25 veces el de CO2. La utilización del gas de stripping ronda los 1000 m3/d de CH4, lo que equivale a 25.000 m3/d de CO2.
En la PC del Modelo Satélites, se incorpora a la salida del regenerador de TEG, un aeroenfriador y separador vertical. Al pasar por el aeroenfriafor, se condensan los BTEX (que ingresan desde el regenerador a 100°C y condensan a una temperatura de 65-70°C,). La salida del aeroenfriador se envía al separador vertical donde se separan los condensados para enviarse al tanque de condensado y el gas para enviarse a compresión en una VRU.
De esta manera, se eliminan las emisiones directas de CH4 a la atmósfera.
Fig. 13 – Esquema de recuperación de BTEX y Gas de Stripping (CH4) en PC
Mejora en calidad de Gas Combustible
Se sabe que una causa adicional de las paradas sistemáticas de compresores es por detonaciones asociadas a la mala calidad del gas combustible (bajo número de CH4) o por aparición de líquidos en la succión de estos.
En línea con evitar las paradas de compresores que generan emisiones de CO2 por quema del gas, se incorpora en las nuevas plantas del Modelo Satélites una mejora en la calidad del gas combustible mediante un cambio en el proceso de obtención de este.
Esta optimización consiste en la incorporación de un módulo JT donde se enfría el gas, condensan los líquidos y luego se separan, mejorando el número de CH4 y bajando el punto de rocío. El gas enviado a consumo es calentado previamente con la entrada al separador.
De esta manera, se espera que la proporción de paros por problemas en calidad de gas combustible desaparezca o se reduzca considerablemente.
Fig. 14 – Modulo JT para mejora en calidad de Gas Combustible
Antorcha con encendido Dual y Soplador para performance smokeless
Garantizar la disponibilidad de la antorcha y asegurar la completa combustión de los gases es otro desafío que se presentó y abordó en el diseño de las instalaciones.
Se observaban problemas con el encendido de las antorchas haciendo que el gas de barrido esté apagado o demande shut down de las instalaciones.
Para garantizar la disponibilidad de la antorcha, se opta por el encendido dual con frente de llama y chispero.
Por otro lado, para garantizar la combustión completa de los gases a quemar (y evitar emisiones de CO), se incorpora un soplador que permite garantizar una performance smokeless para los escenarios más comunes y esperables como el venteo de gas de tanques con peso molecular alto que tienen a generar combustión incompleta.
Fig. 15 – Antorcha con encendido dual y smokeless
Conclusiones
El incremento de la producción del NOC y la recurrente incorporación de lecciones aprendidas asociadas al Modelo de Baterías llevaron a desafiar al propio modelo. Luego de un estudio de benchmarking y modelización de los diferentes tipos de bloques, se llegó a la conclusión que el modelo más conveniente era el Modelo Satélites. Ante este escenario se diseñaron las instalaciones y el gathering asociados, incorporando lecciones aprendidas, filosofías integradas de manejo de arenas, parafinas, slugs e integridad y abordando el diseño desde ejes claves como ser: seguridad, disponibilidad de las instalaciones y sostenibilidad.
Respecto al abordaje sostenible, uno de los ejes principales en instalaciones es la reducción de las emisiones asociadas a la quema de gas en antorcha (CO2) y al venteo de gases de baja presión (CH4). Es por ello que es de vital importancia garantizar la estabilidad suficiente para evitar el paro de compresores, (que envía el gas a quema en la antorcha), la reducción de paros de VRU y mejora en la captación de los venteos de baja presión y en casos de inminente venteo reemplazar las emisiones de CH4, por emisiones de CO2.
Ante esto, se presentan las siguientes mejoras:
Adicionalmente, desde el lado sostenible, se incorporaron otras mejoras asociadas al consumo de un recurso natural como es el agua y a la reducción del consumo eléctrico:
La combinación de mejoras al modelo que implica una reducción de emisiones, un menor consumo de energía y una baja en la utilización de un recurso natural como es el agua dulce, hacen de este modelo uno más sostenible.
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