Programa de tratamiento de los vertimientos

Objetivo

Establecer las acciones necesarias para la instalación de una planta de tratamiento, la cual

permitirá dar un adecuado manejo a las aguas residuales industriales generadas por la

actividad petrolera del Campo Zoe.

Tipo de medida

Prevención y mitigación

Meta

Cumplimiento del 100% de los parámetros de calidad mínimos establecidos por la

normatividad ambiental.

Alcance

Garantizar el manejo y tratamiento de las aguas residuales industriales en la etapa de

perforación, pruebas de producción y operación, previo a la disposición final.

Descripción del programa

La actividad petrolera realizada en el Campo Zoe en sus etapas de perforación, pruebas de

producción y operación generan residuos líquidos industriales o vertimientos que tiene una

alta traza de metales pesados, los cuales se descargan a la quebrada San Albertico. Las

aguas de esta fuente hídrica son consumidas por los habitantes de los municipios de San

Martin y San Alberto, quienes ya presentan afecciones en su salud a causa de la

acumulación de estos elementos en su cuerpo.

Por tal razón, resulta imprescindible la construcción y operación de una planta de

tratamiento que contemple el manejo de las aguas residuales generadas en cada etapa con el

objetivo de cumplir los parámetros establecidos en la normatividad ambiental y así mismo,

evitar la afectación a la salud de la población.

Actividades

1. Capacitación del personal

Con el objetivo de garantizar el manejo adecuado de los residuos líquidos

industriales generados en la etapa de perforación, pruebas de producción y

operación, y por ende, para preservar los recursos naturales se requiere la

realización de capacitaciones al personal calificado y no calificado tal como se

señala a continuación:

a. Planeación: la metodología para el desarrollo de los talleres será evaluada

por el contratista de acuerdo a la necesidad del proyecto. No obstante, se

debe propender por la promoción de comportamientos de protección y

cuidado del medio ambiente por parte del personal vinculado a Campo Zoe.

b. Actividad: se realizará tres (3) talleres con el personal vinculado al proyecto

al inicio de la instalación de la planta de tratamiento de las aguas residuales

industriales con el fin de promover prácticas sociales y ambientales de

protección y cuidado.

c. Temas: se dará a conocer las medidas de manejo asociadas al tratamiento y

disposición de los residuos líquidos industriales generados en las etapas de

perforación, pruebas de producción y operación del Campo Zoe.

d. Mecanismo de evaluación: al final del taller se realizará una evaluación a

cada participante que permita conocer el nivel de entendimiento de los temas

abordados.

2. Diseño y formulación de la planta de tratamiento en cada etapa operativa

Durante la etapa de perforación del Campo Zoe se generan aguas o lodos de

perforación, los cuales son fluidos preparados con materiales químicos que circulan

dentro del agujero por el interior de la tubería, impulsado por bombas, y finalmente

devuelto a la superficie por el espacio anular. Son usados en los pozos de petróleo

para limpiar y acondicionar el hoyo, para lubricar la broca de perforación y para

equilibrar la presión de formación. Tales lodos generalmente se componen de gas,

aire, agua, diésel, suspensión coloidal a base de agua y arcilla como fluido base.

(Garnica Martínez , 2011)

Debido a las características químicas y físicas de las aguas o lodos de perforación,

pueden deteriorar la calidad del agua superficial y subterránea así como afectar los

recursos naturales asociados al suelo debido a que contienen cantidades

considerables de contaminantes tóxicos como aluminio, cadmio, arsénico, plomo,

antimonio, bario, cadmio, cromo, cobre, magnesio, mercurio, níquel, zinc, benceno,

fenatrena y otros hidrocarburos así como niveles tóxicos de sodio y cloruros. Por lo

tanto, tales lodos deben pasar por un proceso de tratamiento físico y químico,

estabilización y disposición. Dicho proceso incluye la instalación de un sistema de

control de sólidos, un sistema dewatering y un sistema de tratamiento de aguas

residuales.

Por otra parte, durante la etapa de pruebas de producción se generan las aguas de

formación, las cuales son aguas subterráneas que saturan los poros de las rocas,

arenas y carbonatos que constituyen los yacimientos petroleros y sus principales

componentes son cloro y sodio en altas concentraciones [Case (como se citó en

Méndez, 2007)].

Según MSC Consultoría y Monitoreo Ambiental (2013) los impactos causados

durante esta etapa son: cambios en el uso del suelo, cambios en la disponibilidad del

recurso hídrico superficial, cambios en las características fisicoquímicas y

bacteriológicas del agua superficial debido a la presencia de metales pesados, trazas

de hidrocarburos y grasas y aceites en los vertimientos del campo. Por lo tanto, los

métodos de tratamiento en esta etapa contemplan la implementación de un tanque

desnatador o skim tank, un interceptor de placas corrugadas y una unidad de

filtración.

Adicionalmente, en la etapa de operación se generan aguas de formación o

producción al igual que la fase de pruebas de producción, por lo cual el tratamiento

a seguir es similar al mencionado anteriormente. Sin embargo, después de que las

aguas pasen por el tanque desnatador o skim tank, estas se llevaran a un tratador

térmico con el fin de acelerar el proceso.

3. Construcción y adecuación de la caseta de campo

Con el objetivo de controlar y hacer seguimiento al funcionamiento de la planta de

tratamiento se debe instalar una caseta de campo que permita realizar los reportes

diarios, el registro de los procesos, el registro de cantidades de residuos generados y

procesados, entre otros. Esta caseta debe estar equipada con escritorio, sillas, aire

acondicionado, computador, impresora, archivador, entre otros.

4. Instalación del sistema de control de sólidos y del sistema dewatering

4.1. Sistema de control de sólidos con el fin de separar o eliminar los ripios o

cortes de perforación los cuales pueden ser HGS (High Gravity Solids) y

LGS (Low Gravity Solids), el método más apropiado es el de remoción

mecánica. Para dicho método se recomienda el uso de una zaranda de

movimiento lineal, la cual provee un mejor transporte de sólidos

perforados y se puede operar en inclinación ascendente para proporcionar

una mayor retención liquida (Bautista, 2010).

Figura 1. Zaranda de movimiento lineal para el sistema de control de sólidos

Fuente: Jereh Drilltech.

4.2. Sistema de dewatering: las aguas de perforación contienen solidos finos

que no se pueden retirar mecánicamente en el sistema de control de

solidos por lo cual, estos seguirán acumulándose en el lodo. Por lo tanto,

la deshidratación o dewatering al sistema activo de lodo base agua es

necesaria (Bautista, 2010).

El sistema dewatering (figura 2) permite separar la fase liquida de la

sólida de los fluidos de perforación mediante procesos físico-químicos.

El proceso químico consiste en la adición de sustancias coagulantes y

floculantes para desestabilizar las cargas y aglutinar las partículas

mientras que el procedimiento físico, se refiere a la centrifugación del

fluido floculado para separar las dos fases. El agua resultante puede ser

reutilizada o ser dispuesta luego de pasar por tratamiento adicional en los

tanques de almacenamiento.

Tal como lo señala Munevar, Rubio y Toro (2006) se deben tener en

cuenta las siguientes especificaciones:

- Unidad de coagulación – floculación de 30 – 100 barriles, dotada con

agitador.

- Unidad de mezcla y dosificación de productos químicos de mínimo 6

barriles, dotada con bombas alimentadoras.

- Centrifuga decantadora de capacidad hidráulica 250 – 150 GPM

- Bomba de alimentación tipo tornillo de capacidad mínima 130 GPM

- Productos químicos que promuevan la floculación y coagulación

El objetivo del sistema de Dewatering es procesar los lodos de perforación para:

- Reducir el volumen de los desechos líquidos generados

- Reutilización del lodo

- Disposición de los sólidos y lodos

- Descarga en la fosa de lodos de manera ambientalmente segura

4.2.1. Funcionamiento del sistema de dewatering: tal como lo plantea Bautista

(2010) el sistema de deshidratación usa tanques individuales para la mezcla de

polímero, coagulante y recepción de agua limpia. Por lo tanto, se deben tener en

cuenta los siguientes aspectos:

a. Localización: el sistema, por lo general, debe ser ubicado delante de las

centrifugas para tener control sobre la descarga de sólidos de estas con el fin de

optimizar el proceso.

b. Tanque de lodo: tiene una capacidad de 40 barriles y está equipado con un

agitador para evitar la sedimentación de los sólidos y asegurar una mezcla

homogénea para la deshidratación. El lodo de perforación será bombeado desde

el sistema de control de solidos mediante una bomba neumática.

c. Bomba de alimentación: debe ser una bomba de desplazamiento positivo y

velocidad variable, para facilitar el caudal de entrada óptimo a la centrifuga de

deshidratación. Esta bomba envía una cantidad exacta de líquido, lo cual

permite mayor facilidad en el control del caudal. Se cuenta con un mezclador

estático para su procesamiento.

d. Tanque de polímero: es un tanque de doble compartimiento de 20 barriles cada

uno. Cada tanque debe ser equipado con un mezclador o agitador eléctrico de

paleta. De igual manera, la bomba de inyección de polímero será equipada con

un múltiple de succión.

Un compartimiento del tanque estará funcionando mientras que un lote de

solución de polímero es preparado en el otro compartimiento. Esto con el

objetivo de asegurar la operación continua del sistema y dar un uso más

eficiente al polímero, el cual tendrá el tiempo suficiente para rendir al máximo

potencial de mezcla.

e. Bomba de polímero: esta bomba desplazará el polímero del compartimiento del

tanque y tendrá un impulsor variable de velocidad para garantizar el nivel de

concentración óptimo del polímero.

f. Tanque de dilución/ agua limpia: tiene dos compartimientos de

aproximadamente 20 barriles cada uno. El agua procesada volverá de la

centrifuga de deshidratación a un compartimiento. Cuando esté lleno, cualquier

sólido remanente se sedimentará y el agua limpia rebosará al otro lado. Dichos

sólidos sedimentados deben ser limpiados periódicamente y procesados con los

generados por los equipos de control de sólidos.

g. Bomba dilución de agua: debe ser una bomba centrifuga, la cual estará al lado

del tanque de agua de dilución y mezclador estático para ayudar en el proceso

de deshidratación. Tendrá una línea de recirculación para retornar al tanque de

agua donde se succionará y la velocidad de alimentación será controlada por el

ajuste de las válvulas sobre la línea de recirculación y las líneas de alimentación

Esta bomba se utilizará también para el almacenamiento del agua procesa o para

la preparación de nuevo lodo.

h. Mezclador estático: contiene dentro de deflectores un múltiple de tubulares para

la ayuda eficaz en la mezcla de los diferentes componentes de deshidratación.

De igual manera, debe tener conexiones a la bomba de lodo, bomba de agua de

dilución y la bomba de polímero, en ese orden.

Al lodo ingresado al mezclador múltiple y que está próximo a la mezcla con

agua de dilución se le agrega la mezcla de polímero floculante y de ser

necesario coagulante.

Una válvula al final del mezclador permite tomar muestras y observar la

formación de flocs y la claridad del agua antes que la mezcla entre en la

centrifuga.

i. Centrifuga dewatering: debe ser instalada en un soporte de altura variable para

permitir al efluente descargar por gravedad al tanque de agua limpia y permitir

que las descargas de solidos descarguen al tornillo transportado principal. Esta

centrifuga proporcionará una capacidad de procesamiento entre 700 – 800

barriles por día.

Una vez obtenida el agua del dewatering se realizarán pruebas de compatibilidad con el

lodo de perforación para reciclarla inmediatamente, si el agua no es compatible se realizará

el tratamiento de clarificación para su posterior disposición.

Los flóculos depositados en el fondo del tanque serán evacuados periódicamente cada vez

que se acumule un 20% de la capacidad del tanque, estos serán bombeados mediante

bomba neumática al primer compartimento, para deshidratarlos por el sistema.

Figura 2. Sistema de dewatering.

Fuente: Cetagua.

5. Montaje del tanque desnatador o skim tank, tratador térmico, interceptor de

placas corrugadas CPI y unidad de filtración

5.1. Tanque desnatador: proporciona un alto tiempo de retención con el fin de

producir la coalescencia y la separación gravitacional del crudo, gas y agua.

Dicho tanque debe ser horizontal, ya que es más eficiente para el tratamiento de

agua porque las gotas de aceite no tienen que fluir contra la corriente de flujo

del agua (Jaimes Campos & Pico Jimenez , 2009 ) .

Figura 5. Tanque desnatador o skim tank

Fuente: Ecopetrol S.A.

Tal como lo indica Jaimes y Pico (2009) inicialmente el flujo ingresa a una bota

de gas para hacer la separación previa del gas y el fluido, donde las burbujas de

gas ascienden al tope del skim tank. Posteriormente, el flujo se dirige al centro

del tanque y este sube de forma vertical para luego ser distribuido

adecuadamente dentro del tanque.

Las gotas de aceite se unen y se acumulan en la sombrilla inferior del tanque, la

cual posee un tubo que permite el ascenso del crudo atrapado en la caja de aceite

ubicada en el tope del skim tank. El aceite que no fue atrapado en la sombrilla

superior pasa por un costado de la misma donde se forma una nata, la cual

rebosa a la caja de aceite.

Mientras tanto, el agua se asienta en la parte inferior del tanque y sale a través

de un tubo que tiene perforaciones. Dicha agua es succionada por bombas

centrifugas, las cuales alimentan el siguiente proceso.

5.2. Tratador térmico: será de tipo directo donde el calor es transferido por

contacto directo de la corriente alimentada con la superficie interna del calentador.

Este tipo de tratador puede manejar mayores volúmenes de fluidos con menor gasto

de combustible (Marfisi y Salager, 2015).

El funcionamiento del tratador térmico consiste en que la alimentación debe ser

parcialmente desgasificada, luego es direccionada hacia la parte de abajo del equipo

para la separación del agua libre y la arena. Después, la alimentación es calentada y

sufre una última desgasificación. Posteriormente, a través de un distribuidor pasa a

un baño de agua para finalmente pasar a la sección de coalescencia. De igual

manera, se deben instalar “hidrojets” para remover los sedimentos que se acumulen

en la parte inferior del equipo (Marfisi y Salager, 2015).

En general, el calentamiento de las aguas residuales tiene las siguientes ventajas:

- Reduce la viscosidad de la fase continua.

- Incrementa el movimiento browniano y la colisión de las gotas de agua para

su coalescencia.

- Incrementa la diferencia de densidad entre la salmuera y el crudo

- Promueve una mejor distribución del desemulsionante

- Disuelve las parafinas cristalizadas que le dan estabilidad a las emulsiones

- Debilita la película de emulsionante que rodea a las gotas de agua.

Luego, el agua resultante del anterior proceso será direccionada al interceptor de

placas corrugadas, la unidad de filtración y por último, al sistema de tratamiento

de aguas residuales tal como se describió anteriormente.

5.3. Interceptor de placas corrugadas: El agua resultante del proceso anterior

se someterá a un segundo proceso de tratamiento a través de un interceptor de

placas corrugadas CPI con el fin de remover el crudo restante en la corriente.

Este crudo puede ser redireccionado al tanque desnatador o a los filtros según

sus características fisicoquímicas.

Figura 6. Interceptor de placas corrugadas CPI

Como lo indica Jaimes y Pico (2009) el eje de las corrugaciones es paralelo a la

dirección de flujo, con una inclinación estándar de 45 ° donde el agua es forzada

a fluir hacia abajo y así poder remover las partículas de aceite remanentes. Las

gotas de aceite ascienden en sentido contrario al flujo de agua y se concentran

en el tope de cada corrugación formando una capa en la superficie.

El interceptor de placas corrugadas posee las siguientes ventajas:

- La remoción del 90% de aceites y solidos

- El aumento de separación con placas inclinadas

- Tiene tamaño compacto y peso ligero

- Tiene bajo costo de capital

- No hay partes móviles para reemplazar

- Tiene bajo costo de mantenimiento

5.4. Unidad de filtración: son tanques cerrados y a presión que se usan para la

filtración de sólidos en suspensión y aceites insolubles contenidos en el agua de

producción. El proceso de filtración consiste en el ingreso del agua cerca de la

parte superior de la unidad donde esta baja a través del lecho filtrante. El agua

filtrada fluye a través del lecho y sale cerca de la base del filtro, mientras que las

gotas de aceite y partículas sólidas se quedan atrapadas dentro del lecho.

Figura 7. Unidad de filtración

Fuente: New gas & oil

Las ventajas del filtro tal como lo señala Jaimes y Pico (2009) son las

siguientes:

- Alta remoción de aceites y sólidos suspendidos en agua.

- Bajo costo

- Equipo diseñado con dimensiones específicas de acuerdo a la necesidad de

operación.

- Fácil instalación y mantenimiento

- Operación sencilla en filtros manuales, semiautomáticos o automáticos.

- Disminuye el consumo de químicos para la limpieza del techo filtrante en el

ciclo de retrolavado

- Fácil consecución y bajo costo del lecho filtrante.

Por su parte, como lecho filtrante se utiliza la cascara de nuez, obtenida a partir

del fruto de la palma africana, debido a sus propiedades oleofilicas, las cuales

permiten la remoción de aceite de las aguas residuales de la actividad petrolera.

Adicionalmente, para limpiar los lechos de filtración se usa un ciclo de

retrolavado. Las aguas provenientes de dicho ciclo se transfieren a un

decantador, el cual las clarifica para luego ser recirculadas al sistema de

tratamiento de aguas residuales.

Figura 8. Decantador

Fuente: Logismarket

6. Instalación del sistema de tratamiento de aguas

El agua obtenida en los procesos anteriores se transferirá a tanques de

almacenamiento para luego realizar la disposición final adecuada. Los tanques

de almacenamiento serán tipo frac tank o catch tank.

Figura 3. Tanque de almacenamiento tipo frac tank

Fuente: MSC Consultoría y Monitoreo Ambiental S.A.S., 2013

Figura 4. Tanque de almacenamiento tipo catch tank

Fuente: MSC Consultoría y Monitoreo Ambiental S.A.S., 2013

El proceso del sistema de tratamiento de aguas es el siguiente:

6.1. Tanque de almacenamiento o recolección: este taque recibirá el agua del sistema

dewatering. Está equipado con una bomba centrifuga para bombear el fluido al

tanque de tratamiento.

6.2. Tanque primario de tratamiento: recibe el agua del tanque de almacenamiento o

recolección y se compone de lo siguiente:

6.2.1. Tanque químico: tanque doble de metal para aplicación y mezclado de químicos.

Tiene una línea de aire con agujeros para que cause la agitación y mezcla de los

productos químicos cuando el aire comprimido es bombeado a través de él.

6.2.2. Bomba centrifuga: toma la succión del tanque primario o secundario de tratamiento

y se bombea de nuevo al tanque químico a través de la aireación de la manquera que

mezcla los químicos.

6.2.3. Aireación/ mezcla de productos químicos: la tubería PVC será instalada en el

perímetro del tanque y estará perforado con una serie de agujeros. Cuando se

bombea agua, esta fluye en forma de aspersión aireando el fluido y causando una

mezcla mecánica química.

6.2.4. Los productos químicos se deben determinar mediante la ejecución diaria de

pruebas piloto sobre el líquido a tratar. El líquido se debe analizar en un laboratorio

en campo y un laboratorio externo para asegurar el cumplimiento de la

normatividad ambiental. La bomba centrifuga bombeará el líquido en el punto de

disposición

6.2.5. Se utilizará una bomba de aire de diagrama para limpiar los sólidos sedimentados en

el tanque cada dos o tres días, los cuales pueden ser mezclados con el lodo para

deshidratar y luego procesarlos con el resto de sólidos.

6.3. Tanque secundario de tratamiento: funcionará de forma similar que el tanque

primario de tratamiento. Es necesario para mantener un tanque en operación

mientras que el otro es limpiado, lo cual permite un funcionamiento continuo y el

aumento de la capacidad.

6.4. Tanque de almacenamiento y dilución: en este tanque se hará el ajuste de

propiedades debido a que las aguas tratadas a menudo tienen alta conductividad y

no cumple las normas ambientales de descarga. La dilución se hace con el agua

tratada y el agua dulce bombeada desde la fuente hídrica. La mezcla se realiza en

proporciones adecuadas, se mezcla y se descarga dentro de los parámetros

ambientales

7. Adecuación del área para el lavado y mantenimiento de equipo

Al interior de las plataformas multipozo, se destinará un área demarcada e

impermeabilizada para el lavado y mantenimiento de equipo. Dichas áreas contaran con

las estructuras de recolección de las aguas residuales skimmer para el almacenamiento

de las aguas resultantes de esta labor, las cuales se incorporaran posteriormente al

sistema de tratamiento de aguas residuales descrito anteriormente.

Figura 5. Estructura skimmer

Fuente: Maderplast

8. Establecimiento de la tubería para la descarga del agua tratada

El agua tratada será bombeada a través de una tubería de 4” o 4 ½” de diámetro

hacia el punto de vertimiento. Sin embargo, antes de la descarga a la quebrada San

Albertico se deben realizar análisis para asegurar el cumplimiento de la

normatividad ambiental.

9. Operación de la planta de tratamiento

A continuación se muestra el proceso propuesto que deben seguir las aguas

residuales industriales generadas en cada etapa hasta su disposición final.

9.1. Etapa de perforación:

9.2. Etapa de pruebas de producción

9.3. Etapa de operación

Sistema de control de

solidos

Sistema de dewatering

Sistema de tratamiento

de aguas residuales

Descarga de agua

tratada

Tanque desnatador o

skim tank

Interceptor de placas

corrugadas CPI

Unidad de filtración

Decantador Sistema de

tratamiento de aguas residuales

Descarga de agua tratada

10. Lavado y mantenimiento de equipo

Con el fin de garantizar la eficiencia permanente de los equipos de tratamiento de

aguas residuales industriales, se debe realizar un lavado y mantenimiento regular

para eliminar solidos remanentes que puedan alterar las condiciones del agua tratada

así como disminuir la capacidad del equipo. De igual manera, dentro de los

procesos propuestos se plantearon alternativas para no interrumpir el tratamiento de

los vertimientos durante el mantenimiento de los equipos, lo cual aumenta la

eficiencia y asegura que las descargas de agua cumplan con los parámetros

establecidos en la normatividad ambiental.

11. Elaboración de pruebas de laboratorio en campo

Se utilizarán los equipos de prueba portátiles necesarios. Se realizarán por lo menos

una vez al día por cada descarga y se recomiendan las siguientes: pH, temperatura,

turbiedad, color, cloruros, conductividad y sulfatos. De igual manera, se debe llevar

registro de los resultados obtenidos.

12. Realización de pruebas de laboratorio particular

Se deben tomar muestras cada 7 días para ser enviadas a un laboratorio externo que

posea los equipos requeridos para su análisis. Dichas muestras se deben tomar aguas

arriba y aguas abajo del punto de descarga y en el agua tratada lista para descarga.

Referencias

Bautista Puente, L. A. (2010). Manejo de desechos y deshidratación (dewatering) de los

fluidos de perforación base agua. Lima, Perú: Universidad Nacional de Ingeniería.

Tanque desnatador o

skim tankTratador termico

Interceptor de placas corrugadas

CPI

Unidad de filtración

Decantador Sistema de

tratamiento de aguas residuales

Descarga de agua tratada

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