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Unidad 3-3

Análisis de Agua

Objetivo del Aprendizaje:

Luego de haber completado exitosamente esta unidad de instrucción, usted podrá:

1. Explicar porque un análisis de agua es necesario para evaluar efectivamente un sistema de producción.

2. Identificar las partes del análisis de agua y explicar lo que cada parte revela acerca del sistema de agua.

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La química del agua está determinada por su contenido, por lo tanto el análisis del agua es tal vez por si solo la herramienta más valiosa para el diagnóstico o predicción de problemas en los sistemas de producción de petróleo y gas. Este es un documento que usted verá regularmente, es imperativo que comprenda la información que contiene y sobre todo que usted pueda interpretar los resultados.

Que es un análisis de agua?Tal como los análisis de sangre permiten al médico chequear la salud de un paciente, un análisis de agua le permitirá detectar potenciales problemas del sistema y la severidad de los problemas existentes.

Los análisis de agua reportan valiosos datos sobre una muestra específica de un pozo o un sistema. Este reporte incluye lo siguiente:

Las concentraciones y tipos de minerales disueltos en el agua.

El estatus de propiedades físicas específicas que influencian y afectan en el comportamiento del sistema del agua.

En los cuadros siguientes y en la siguiente página se resumen los tipos de datos usualmente registrados en los análisis de agua. Esto incluye sustancias que podrían encontrarse en el agua de un reservorio petrolero, ciertas propiedades que influenciarán y como esas sustancias podrían afectar la química del agua.

Componentes Disueltos Otras Propiedades

Cationes (+) pH (H+)

Calcio (Ca++) Turbidez (NTU’s)

Sodio (Na+) Contenido de Petròleo (ppm O/W)

Magnesio (Mg++) Resistividad/Conductividad (ohms, mho)

Hierro (Fe++ and Fe+++) Gravidez Especìfica (no units)

Bario (Ba++) Solidos Suspendidos (mg/L)

Estroncio (Sr++) Oxigeno Disuelto (ppm and ppb)

Manganeso (Mn++) Gases Acidos Disueltos CO2 and H2S – mole%, ppm

Aniones (–)

Cloruro (Cl –) Bacterias

Bicarbonato (HCO3–)

Carbonato (CO3– –)

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La química del agua está determinada en su contenido lo cual se reporta en un análisis de agua.

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Sulfato (SO4– –)

Que significa toda esta información?

Esta información es un análisis de agua que podría parecer difícil en un principio, pero una vez que cada línea sea explicada usted verá que este documento puede pintar un cuadro extremadamente revelador del agua proveniente de los sistemas de producción de petróleo y gas.

En la siguiente página encontrará un ejemplo de un reporte de análisis de agua. Note que tiene 4 diferentes secciones que han sido debidamente numeradas. Tres de las secciones proveen diferentes aspectos del agua

Sección es donde se registra la información administrativa. Es donde se menciona el nombre de la compañía que opera el sistema y el nombre de los contactos. También incluye el nombre del campo, la locaciòn específica y el punto exacto de localización en el sistema en el que el agua fue tomada.

También hay un espacio para registrar la fecha cuando la muestra fue tomada.

Los presentes análisis químicos de agua se desarrollan en un laboratorio y los realiza un técnico laboratorista El número del laboratorio es un número interno administrativo asignado a la facilidad en donde el análisis fue efectuado. La fecha del reporte es la fecha en la que el reporte del análisis de agua fue preparado.

Por lo tanto para resumir la Sección 1, esta dice lo siguiente:

El nombre y dirección de la compañía que posee u opera el sistema.

A quien reportamos acerca del sistema

El nombre del campo en donde el sistema está localizado.

El nombre y número de la locaciòn.

El lugar en el sistema donde la muestra de agua fue localizada.

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Propiedades Fisicas del Agua

Densidad @ 4°C 1 gm/ml

Gravidez Especìfica @ 60°F 1.000

Punto de fusiòn 32°F (0°C)

Punto de ebulliciòn 212°F (100°C)

Peso: 1pie cùbico1 galon

62.4 lbs. @ 60°F8.328 lbs. @ 60°F

Gravidez API 10°

Viscosidad 1 cps

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La fecha en que la muestra fue tomada.

El número de localización en el laboratorio.

La fecha en la que el reporte fue preparado.

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REPORTE DE ANALISIS DE AGUA

Compañía: Deep Hole Oil Company Campo: Hot Foot 430

1224 North Slope Ave Ubicación: Separador

Suite 400 Locaciòn #: 7

Spindletop, Texas Numero /Lab: WA76528

74349Fecha de la Muestra: 3/15/2002

ATTN:Jack Foreman

Fecha del Reporte: 4/1/2002

Sólidos Disueltos

Ion mg/L

Calcio (Ca) 20150

Magnesio (Mg) 2077

Bario (Ba) 0

Estroncio (Sr) 836

Sodio (Na) 18537

Hierro (Fe)

Cloruro (Cl) 70800

Sulfato (SO4) 143

Bicarbonato (HCO3) 100

Carbonato (CO3) 0

Propiedades Físicas

pH 7.00

Temperatura ( F/C ) 200 FPresión (psia) 50

Gravidez Específica

Densidad

Total Sólidos Disueltos

Dureza Total

Fuerza Iónica 2.6

Resultados SI & PTB

Tipo de Escala SI PTB*

Calcita (CaCO3) 1.37 45.5

Gypsum (CaSO4) -0.90 N/A

Hemihidrato (CaSO4) -0.80 N/A

Ana hidratos (CaSO4) -0.36 N/A

Barita (BaSO4) N/A N/A

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1

2

3

4

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Celestita (SrSO4) -0.19 N/A

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p p m o r m g / L ? A s y o u r e a d a w a t e r a n a l y s i s , t h e n u m b e r s t h a t a p p e a r n e x t t o t h e n a m e s o f t h e i o n s r e f l e c t t h e s t r e n g t h , o r q u a n t i t y , o f t h o s e i o n s . O n o u r s a m p l e , t h e y a r e r e p o r t e d a s m i l l i g r a m s p e r l i t e r ( m g / L ) . Y o u m a y s o m e t i m e s s e e t h e s e v a l u e s e x p r e s s e d a s p p m , o r p a r t s p e r m i l l i o n . T h a t m e a n s t h a t a r e “ X ” n u m b e r o f p a r t s o f t h e i o n f o r e v e r y o n e m i l l i o n p a r t s o f w a t e r . P P M i s a r a t i o o f l i k e q u a n t i t i e s . F o r e x a m p l e , i f y o u h a v e o n e m i l l i o n p o u n d s o f w a t e r a n d o n e p o u n d i s s a n d , y o u ’ d h a v e o n e p p m o f s a n d i n t h e w a t e r . E x c e p t i n i n s t a n c e s w h e r e t h e w a t e r h a s a h i g h e r s p e c i f i c g r a v i t y , m g / L a n d p p m a r e t h e s a m e b e c a u s e o f t h e f o l l o w i n g :

M g / L = p p m * 1 l i t e r = 1 0 0 0 g r a m s . 1 g r a m = 1 0 0 0 m i l l i g r a m s . 1 0 0 0 x 1 0 0 0 = o n e m i l l i o n . T h e r e f o r e , 1 m i l l i g r a m i s 1 / 1 , 0 0 0 , 0 0 0 o f a l i t e r .

* a s l o n g a s s p e c i f i c g r a v i t y r e m a i n s n e a r 1 .

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Que me puede decir la Sección 2 sobre Sólidos Disueltos?Como su nombre lo sugiere, La Sección contiene información acerca de sólidos específicos que están disueltos en el agua. Recuerde, que los sólidos positivos disueltos son cationes y aniones son los negativos. Como nosotros tomamos en cuenta a cada componente, usted verá que ellos pueden revelar mucha información acerca del agua

Cationes (+) a. Sodio es un mayor constituyente

en el agua de los campos, pero no causan normalmente ningún problema. La única excepción es la precipitación del cloruro de sodio de aguas extremadamente salobres

b. El ion calcio es un mayor constituyente de las aguas saladas de los campos y podrían correr tan alto como 80.000 mg/L sin embargo su concentración es normal y considerablemente más baja. El ion calcio es de mayor importancia porque fácilmente se combina con los iones de bicarbonato, carbonato o sulfato y se precipita a formar escalas adherentes o sólidos suspendidos.

c. Los iones Magnesio se encuentran usualmente presentes en concentraciones mucho más bajas que el calcio. Estos tienden a sumarse a los problemas de escala de carbonato de calcio por la co-precipitación con el ion calcio. Es muy común encontrar magnesio en escalas de carbonato de calcio. El Sulfato de Magnesio (MgSO4) es muy soluble. Consecuentemente es muy raro encontrar escala de Sulfato de Magnesio.

d. Por naturaleza, el Hierro contenido en el agua de formación es bastante bajo. La presencia de hierro en el agua es usualmente un indicativo de corrosión. Podría estar presente en la solución como iones férricos (Fe+++) o ferrosos (Fe++) o podrían estar en suspensión como un componente de hierro precipitado. “El conteo de hierro” es frecuentemente usado para detectar y monitorear la corrosión en un sistema de agua.

e. La presencia de componentes de hierro precipitados es una de las mayores causas para la formación del taponamiento de tubería.

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f. El Bario es de importancia primaria por su habilidad de combinarse con el ion de sulfato para formar el sulfato de bario, el cual es extremadamente insoluble. Aún pequeñas cantidades pueden presentar severos problemas.

g. El Estroncio, igual que el bario y el calcio, pueden combinarse con el ion sulfato para formar sulfato de estroncio insoluble. Sin embargo más soluble que el sulfato de barrio es frecuente encontrar en escalas mixtas con sulfato de barrio.

Aniones (–) a. El ion cloruro es casi siempre el anion que más se encuentra presente en el agua

salada y frecuentemente se lo encuentra como un mayor constituyente en el agua fresca también. La mayor fuente de ion cloruro es el cloruro de sodio, por lo tanto la concentración de ion cloruro se usa para medir la salinidad del agua.

b. A pesar de que los depósitos de sal pueden ser un problema, son de insignificantes consecuencias. El problema principal asociado con el ion cloruro es que incrementa la corrosividad del agua convirtiéndola en un electrolito más fuerte o más conductor de electricidad. La corrosividad del agua aumenta cuando se vuelve más salada. También el ion cloruro es un constituyente estable y su concentración es una de las formas más fáciles de determinar si el agua de fuentes separadas se han mezclado.

c. El ion sulfato representa un problema por su habilidad de reaccionar con el calcio, barrio o estroncio para formar escalas insolubles. Esto sirve como una “comida sustanciosa” para la reducción de bacterias de sulfato.

d. El ion bicarbonato puede reaccionar con los iones calcio, magnesio, hierro, barrio y estroncio para formar escalas insolubles. Está virtualmente presente en todas las clases de agua. La concentración de Ion Bicarbonato es a veces denominada methyl orange alkalinity.

e. Tal como el ion bicarbonato, el ion carbonato puede también reaccionar con los iones de calcio, magnesio, hierro, bario y estroncio para formar escalas insolubles. Los iones Carbonato difícilmente se encuentran presentes en aguas de producción porque el pH es frecuentemente demasiado bajo (<8.3). La concentración de ion Carbonato a veces denominada phenolphthalein alkalinity.

Las concentraciones más altas de iones bicarbonato y carbonato típicamente indican que el agua es más alcalina.

Si estos sólidos se precipitan fuera del agua se transforman en sólidos que pueden juntarse. Cualquier cation (+) se encuentra disponible para unirse con cualquier anion (-) para formar una sustancia sólida tal como el carbonato de calcio, sulfato de bario, cloruro de sodio, sulfato de calcio, etc. Algunos de estos componentes pueden depositarse como escala.

Cuando mencionamos el término sales nos referimos a sólidos no solo a cloruro de sodio (sal de mesa). Este es un término generalmente usado para referirnos a productos formados cuando los cationes se completan con aniones tales como cloruro de calcio, carbonato de hierro, etc.

Un punto importante para recordar acerca de las sales es este: Las sales menos solubles se

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depositan primero.

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Gases disueltos Los gases disueltos generalmente no se reportan dentro de un análisis de agua, sin embargo en las unidades previas, usted aprendió que los gases ácidos tales como CO2, H2S, y O2

pueden tener una influencia significativa en el comportamiento del agua de producción.

La siguiente lista resume varios puntos a ser considerados cuando se interpretan los efectos que los ácidos disueltos pueden tener sobre el agua de producción:

El CO2 y el H2S reducirán el pH del agua cuando está en solución, lo cual hace al agua más corrosiva.

El O2 tiene un efecto significativo sobre la corrosividad del agua mucho mayor que el CO2 o el H2S.

También, si es que existe hierro disuelto en el agua, el oxígeno puede entrar en el sistema y causar que el hierro disuelto se precipite fuera del agua como óxidos de hierro insolubles. Estos pueden taponar equipos y tuberías.

El Oxigeno también facilita el crecimiento de bacterias aeróbicas, las cuales usted aprenderá pueden causar su propio conjunto de problemas.

El CO2 influencia en el pH, el cual afecta tanto a la corrosividad del agua como a la tendencia de escala de carbonato de calcio

Cuando el pH es bajo (ácido), sólidos disueltos tales como los cloruros permanecen en el agua, haciéndola conductora de electricidad. Pero cuando el pH es alto (básico), los sólidos disueltos saldrán de la solución y estarán listos para depositarse como sólidos que pueden formar escala.

El H2S disuelto incrementará la corrosividad del agua. El H2S puede estar presente naturalmente en el agua lo cual significa que ha residido en la formación junto con el agua por eones o puede haber sido generado por bacterias reductoras de sulfato

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Guiados por este cuadro, cuanto más corrosivo es el O2 que el CO2 y el H2S ?

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Si una muestra normal de agua dulce (libre de H2S) empieza a mostrar rastros de H2S, esto indica que las bacterias sulfato reductoras probablemente están trabajando en algún punto del sistema corroyendo agujeros en sus tuberías y tanques. Adicionalmente sulfuro de hierro será generado como un producto corrosivo y este es un eficiente agente taponador de tuberías.

Muchas de estas medidas deberán ser ejecutadas por el técnico en el campo tan pronto la muestra sea recolectada. Usted aprenderá más acerca de las técnicas de recolección y preservación de muestras en la siguiente unidad. Por ahora, tenga en mente que aún estos constituyentes podrían no aparecer en los análisis de agua y más bien son una parte que usted debe conocer sobre el sistema.

Bien, vamos a resumir lo que sabemos acerca de la información proporcionada en la Sección 3, sobre Sólidos Disueltos.

Los sólidos disueltos son los cationes y aniones provenientes de la formación de minerales disueltos en agua.

Mientras tanto en el agua los sólidos disueltos (especialmente los cloruros) vuelven al agua un electrólito más efectivo

Cuando los sólidos se precipitan fuera del agua, los iones positivos y negativos se pueden volver a unir y formar sólidos que terminarán formando depósitos de escala.

Los gases ácidos (CO2, H2S, y O2) disueltos en el agua pueden influenciar en el nivel del pH del agua, el cual ayuda a determinar que sólidos permanecerán disueltos en el agua o cuales se precipitarán como sólidos.

Que hay en esta Sección, Propiedades Físicas?Sección , Las Propiedades Físicas, proporcionan todas las características físicas de la muestra de agua. Estas son características que también influencian en la química del agua

El primer acceso, el pH, es de igual forma indicador y conductor de la química del agua.

Como un indicador el pH puede determinar si el agua es ácida (0-6), lo cual significa que ha incrementado las tendencias corrosivas o si el agua es alcalina (8-14), lo cual significa que es más propensa a la formación de escala.

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Generalmente cuando los gases ácidos y los sólidos disueltos permanecen en solución el Ph y las tendencias de escala disminuye en cambio, las tendencias de corrosión aumentan. A la inversa, los niveles de pH y las tendencias de escala aumentan y las tendencias de corrosión disminuyen cuando los sólidos disueltos y gases ácidos se liberan de la solución.

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Como conductor el pH guarda relación con la temperatura y la presión que influye para que los sólidos disueltos y los gases disueltos permanezcan en solución o se liberen de la solución. Mientras se reduce la presión, los gases disueltos se separan de la solución y el pH se incrementa. La temperatura es mucho más influyente en lo que se refiere a sólidos, con la excepción de algunas formas de carbonatos, mientras más alta es la temperatura más soluble es el sólido, lo cual significa que el pH baja.

Gravidez específica es la relación de la densidad de una (1) unidad de muestra de agua sobre la densidad de una unidad igual de agua pura.

La densidad es simplemente el peso por la unidad de volumen. El agua pura pesa 1 g/mL o 8.33 lb/gal. La gravidez específica mayor a 1.0 significa que la muestra de agua es más densa o pesa más que un volumen semejante de agua pura. Debido a que el contenido de sólidos del agua en la cual estamos interesados es siempre más denso que el agua pura tendrá una gravidez específica más alta que 1.0

Otra forma de pensar acerca de la gravidez específica es que un galón de agua pura pesa aproximadamente 8.33 libras. Ahora digamos que un galón de agua salada del sistema de su cliente pesa 9.0 libras. La gravidez específica será calculada de la siguiente forma:

La gravidez específica es un indicador directo de la cantidad total de sólidos disueltos en el agua. Entonces comparando la gravidez específica de algunas aguas usted puede rápidamente estimar una cantidad relativa de sólidos disueltos en el agua.

El total de sólidos disueltos (TSD) es simplemente la cantidad total de materia disuelta en un determinado volumen de agua. Puede ser calculado tomando la suma de las concentraciones de todos los cationes y aniones registrados en el reporte de análisis del agua, o puede ser medido mediante la evaporación de una muestra, al secarse el agua se pesan los residuos.

El total de sólidos suspendidos (TSS) es la medición de la cantidad de sólidos presentes en el agua que no están en solución. Estos son típicamente medidos mediante el filtrado de un determinado volumen de agua a través de un filtro de membrana porosa de 0.45µm. Esta es una base para determinar la tendencia que tiene el agua para formar taponamientos.

Los sólidos suspendidos pueden adherirse a cualquier parte del sistema y causar problemas.

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La mejor regla para saber donde se concentran los sòlidos suspendidos es mientras menos , mejor!

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En los pozos de inyección, donde los sólidos suspendidos pueden causar taponamiento y otros problemas, los principios sugieren, que la cantidad total máxima de sólidos suspendidos (TSS) no sea mayor a 25mg/L cuando el agua se ha filtrado a través de las membranas porosas a una presión de 20 psi.

Las Bacterias presentes en el agua estarán incluidas en los valores TSS. Las Bacterias podrían traer como resultado corrosión y/o taponamientos.

La determinación de la composición de los sólidos suspendidos hace posible conocer sus orígenes (productos corrosivos, partículas de escala, formación de arena, etc.) y así se puede dar una solución de remedio apropiada. El conocimiento de la composición química es también importante desde el punto de vista del diseño de un procedimiento de limpieza en caso de que un taponamiento ocurra.

La Turbidez simplemente significa que el agua no es “clara” y que contiene materiales no disueltos tales como sólidos suspendidos, burbujas de gas o petróleo dispersos. Es una forma de medir la nubosidad del agua. La turbidez indica la posible formación de taponamientos en las operaciones de inyección. Las medidas de turbidez son generalmente usadas para monitorear el rendimiento del filtro.

La Calidad del Agua es una medida del relativo grado de poder de taponamiento, el cual se determina pasando un volumen de agua a través de una membrana de filtro. Los filtros de acetato de celulosa de 0.45µm (micrones) de la Corporación Millipore son los más comúnmente usados. El valor de la prueba de calidad del agua es primario como una medida de comparación.

La presencia de petróleo disperso o emulsificado en el agua frecuentemente presenta problemas cuando se inyectan aguas de producción

El petróleo en el agua puede causar disminución en la capacidad de inyección de varias formas. Puede causar “bloques de emulsión” en la formación. Sirve como una excelente adherente para ciertos sólidos tales como el sulfuro de hierro, incrementándose por tanto su capacidad de taponamiento.

Cuando el agua está siendo inyectada en un acuífero sin una saturación de crudo inicial, el petróleo en el agua puede atraparse en los poros de la formación rocosa. Esto crea una saturación de crudo lo cual puede reducir la capacidad de inyección.

Un análisis del contenido del crudo debería efectuarse sobre cualquier agua, sin tomar en cuenta el origen. Existen muchas formas por las cuales el agua puede contaminarse con petróleo.

Cuando el agua de producción se elimina en aguas externas, la concentración de petróleo en el agua es usualmente limitada por las regulaciones de gobierno.

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Silica se presenta en la mayoría de aguas de pozos y puede ser la causa del depósito de escala en aguas refrigerantes y en calderos de vapor y en su flujo. Normalmente no presenta ningún problema en las operaciones de inyección de agua.

Que significa IS y LMB en la Sección 4?La información en la Sección está categorizada como IS, lo cual indica Índice de Saturación, y LMB, que significa Libras por miles de Barriles. Estos dos valores están directamente relacionados con la formación de escala. El valor IS indica si el agua es propensa a formar escala, basándose en su concentración de sólidos disueltos.

LMB predice las libras de escala por miles de barriles de agua que podrían en forma teórica volver a un estado de equilibrio dependiendo del análisis de agua. Usted comprenderá esta relación mucho mejor cuando tome el curso de escala.

Estos valores tomarán una importancia mucho más grande cuando usted revise este tópico en el curso de Escala Básico.

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Unidad 3-3 Examen

1. En sus propias palabras, explique porque un análisis de agua es necesario para evaluar efectivamente un sistema de producción.

2. Identifique las cuatro (4) secciones del análisis de agua y explique lo que cada sección revela acerca del agua del sistema.

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Unidad 3-3 Actividades Guiadas por un mentor

1. Utilizando (3) análisis de agua escogidos al azar de los análisis de sistemas de su área, debatir con su mentor lo siguiente:

a. Qué indica la sección de sólidos disueltos de los análisis acerca del sistema?

b. Qué indica la sección de propiedades físicas de cada análisis?

c. Cómo se apoyan las 2 secciones la una a la otra?

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