RECUPERACIN DEL GAS NATURAL LIBERADO DE TANQUES DE ALMACENAMIENTO DE CRUDOJuan Carlos Taboada Sinchez Ingeniero de Petrleo, Universidad Nacional de Ingeniera Jefe de Proyecto GMI S.A. Ingenieros Consultores E-mail: jtaboadas@gmisa.com.pe Resumen : El alcance de este trabajo es presentar las posibilidades de una solucin tecnolgica que las empresas productoras de petrleo y gas natural del Noroeste del Per (Talara) puedan aplicar en sus Operaciones, y que les permita evitar las emisiones de los vapores de los hidrocarburos livianos disueltos en el petrleo que son liberados de los Tanques de almacenamiento de techo fijo en las diversas Bateras de Produccin, y obtener as un ahorro econmico importante por la recuperacin y comercializacin de estos vapores, adems de reducir sustancialmente las emisiones de metano y otros contaminantes peligrosos al Medio Ambiente. Se pretende demostrar que un Proyecto para la recuperacin y comercializacin de estos vapores de gas natural, nos puede permitir lograr importantes ahorros y simultneamente obtener reducciones sustanciales de las emisiones de metano y de contaminantes peligrosos del aire, si se cuenta con un volumen de vapores suficiente en uno o varios tanques de almacenamiento de petrleo crudo. Palabras Clave: Emisiones de Metano, Unidad de Recuperacin de Vapores, Gas Natural Asociado

Introduccin En Talara, en las operaciones de produccin del petrleo crudo, es comn que como parte del sistema de recoleccin y almacenamiento en las diversas Bateras de Recoleccin, se tengan tanques de almacenamiento, que se usan para mantener el petrleo (que ha sido extrado de los pozos productores) por cortos perodos de tiempo, a fin de estabilizar el flujo proveniente de los pozos para su posterior transporte a travs de los ductos. Durante la descarga y el almacenamiento del petrleo crudo, se produce la evaporacin de los hidrocarburos livianos disueltos en el petrleo. La composicin de estos vapores vara, pero el mayor componente es el metano y seguido por el etano, propano y butano, clasificados como los compuestos orgnicos voltiles (VOC por sus siglas en ingls). Adems de otros componentes ms pesados, contaminantes peligrosos del aire (HAP por sus siglas en ingls) y algunos gases inertes. stos, se evaporan y se alojan en el espacio entre el lquido y el techo fijo del tanque. A medida que el nivel de lquido en el tanque vara, estos vapores son frecuentemente venteados o liberados a la atmsfera. Estos vapores que son venteados a la atmsfera producen dos efectos negativos: la contaminacin al Medio Ambiente y la prdida econmica. Las emisiones liberadas a la atmsfera, an no son fcilmente visibles o

identificables sin equipo especializado, sin embargo representan importantes prdidas de gas natural, reduccin de la eficiencia operativa, emisiones de gases de efecto invernadero y potenciales riesgos de seguridad. Una forma de prevenir estas emisiones y obtener un ahorro econmico importante, es instalar Unidades de Recuperacin de Vapores (VRU por sus siglas en ingls) en los tanques de almacenamiento de petrleo. Las Unidades de Recuperacin de Vapores son sistemas relativamente simples que puede capturar aproximadamente el 95% de los vapores del gas natural que contienen elevados valores de Poder Calorfico (BTU), estos vapores luego se pueden comercializar o usarlos en el sitio como combustible. Los mtodos para recuperar los vapores estn actualmente en operacin en diversas partes del mundo, sin embargo este trabajo pretende mostrar la directa aplicacin de la tecnologa en nuestra Industria de produccin de petrleo y gas natural pero con una aplicacin en base a Plantas de compresin de pequea escala. A pesar que no es una aplicacin original, hasta donde se conoce, es una tecnologa que por primera vez se aplicara en nuestro Pas.

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Antecedentes Caractersticas y Comportamiento productivo de los Reservorios en el Noroeste del Per El mecanismo de produccin predominante en la mayora de los Reservorios petrolferos de las Operaciones en la Cuenca Talara al Noroeste del Per, es el Gas Disuelto (empuje interno de gas), cuyas presiones estn mayormente por debajo del punto de burbuja. En estos reservorios se producen con baja presin de fondo y adems debido a que la movilidad del gas natural es mayor que la del petrleo, se obtienen altas relaciones gas-petrleo (GOR) con bajas recuperaciones de petrleo (entre 10-15%). Como consecuencia, como declina su presin de fondo, los perodos de produccin por surgencia natural son relativamente cortos, siendo necesarios en estas operaciones instalar equipos de produccin artificial. Cuando el petrleo se lleva a la superficie y se procesa, muchos de los hidrocarburos livianos disueltos en el petrleo (as como el agua de produccin), se extraen mediante una serie de recipientes de alta y baja presin (separadores). En los campos maduros, como son todos los Yacimientos de la cuenca Talara, por el mecanismo de impulsin de la energa del reservorios descrito, mayormente se obtiene gas natural que se encuentra en solucin en el petrleo; y en menor grado gas natural en estado libre. Luego del proceso de separacin (bifsico o trifsico), el petrleo crudo es transferido a un Tanque de almacenamiento y almacenado temporalmente a la espera de ser retirado fuera de la instalacin para su venta a las Refineras. El gas natural separado, a su vez es transferido para su uso en las instalaciones internas o es comprimido y transferido por gasoducto a las Plantas de procesamiento para extraerles los lquidos del gas natural (LGN) y usar el gas seco residual como suministro para las Plantas de generacin elctrica. Composicin del Gas Natural El gas natural del campo petrolero en estudio, est compuesto principalmente por metano, pero tambin contiene etano, propano e hidrocarburos ms pesados. Pequeas cantidades de nitrgeno, oxgeno, dixido de carbono, y agua tambin pueden ser encontrados en el gas natural. Algunos de estos componentes son considerados

como VOC que es el acrnimo que significa Compuestos Orgnicos Voltiles. Los VOC son componentes de los hidrocarburos lquidos tales como los petrleos crudos y condensados. Los VOC significan cualquier compuesto de carbono, con exclusin del monxido de carbono, dixido de carbono, cido carbnico, carburos metlicos o carbonatos, y el carbonato de amonio, que participa en reacciones fotoqumicas atmosfricas. La composicin de los vapores del gas natural vara, pero el principal componente siempre ser el metano (60 al 85%). Poder Calorfico El poder calorfico del gas natural que es recolectado, separado y enviado por los gaseoductos, normalmente tienen un poder calorfico entre 990 y 1,050 BTU/Pie cbico. Sin embargo por la naturaleza del Gas Natural de los campos de Talara, que es un gas natural asociado al petrleo, se tienen registros de que el Poder Calorfico que es entregado a las Plantas de Procesamiento de Gas Natural, para usos en generacin elctrica, contienen valores mayores entre 1,190 y 1,200 BTU/Pie cbico. Los vapores del gas natural que pueden ser recuperados de los tanques de almacenamiento contienen componentes del gas natural que son licuables, y contienen mayor Poder Calorfico que el del gas natural enviado al gasoducto. Dependiendo del volumen de los componentes condensables de los vapores del gas natural, el poder calorfico puede llegar hasta 2,100 BTU/Pie cbico. Por tanto, en una base volumtrica, los vapores recuperados pueden ser ms valiosos que slo el gas natural (principalmente metano) que normalmente se enviara al gasoducto. Tipos de Prdidas de Hidrocarburos Livianos Hay tres tipos de emisiones (prdidas de los hidrocarburos livianos) en los tanques de almacenamiento de hidrocarburos: Prdidas Flash (Flash Losses) o Emisiones de VOC; ocurren cuando un lquido con gases entrampados van de una mayor presin a una baja presin. Prdidas de trabajo (Working Losses); son las prdidas debido al efecto pistn al llenar y vaciar el tanque. Se refieren a los vapores liberados debido al cambio en los niveles de fluido y agitacin del contenido del tanque asociado con la circulacin de petrleo fresco a travs de los tanques de almacenamiento. 2

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Prdidas permanentes o por respiracin (Standing Losses); son las prdidas por evaporizacin, debidas al desplazamiento de los vapores dentro del tanque de almacenamiento que ocurren con los cambios diarios y estacionales de la temperatura y presin.

La estimacin de las emisiones flash o Emisiones de VOC de tanques de almacenamiento de hidrocarburos deberan ser registradas en todas las facilidades que tiene el potencial de las prdidas intermitentes o emisiones de VOC desde los tanques de almacenamiento de hidrocarburos (por ejemplo, Estaciones de Compresores de gas natural, Plantas de Procesamiento de gas natural, Bateras de tanques de petrleo crudo o de condensados); sin embargo, actualmente nuestras instalaciones no estn obligadas a presentar las cantidades de prdidas o emisiones de VOC de los tanques de almacenamiento de hidrocarburos. Existen varios mtodos de clculo para estimar las prdidas intermitentes o emisiones de VOC de los tanques de almacenamiento de hidrocarburos. Algunos de ellos son: La ecuacin de Vasquez-Beggs (VBE); La ecuacin de Environmental Consultants and Research, Inc. (EC/R); Un programa de clculo de la ecuacin de estado (EOS), como el E & P Tank ; Determinacin de la relacin de gas petrleo (GOR) y el movimiento (throughput) de los lquidos de hidrocarburos; Proceso de simuladores (HYSIM , HYSYS , winsim , PROSIM , etc), y Medicin directa de las emisiones.

El volumen de vapores del gas natural provenientes de un tanque de almacenamiento depende de muchos factores. El petrleo liviano (gravedad API mayor de 36) emitir ms vapores de hidrocarburos que el petrleo ms pesado (gravedad API menor de 36). En Tanques de almacenamiento con muchos ciclos de llenado y con un mayor rgimen de movimiento general del contenido del tanque (throughput), sern liberados ms vapores debido al efecto pistn de llenar y vaciar el tanque; que en tanques que tienen un menor movimiento de productos. Las Prdidas Flash (Flash Losses) o Emisiones de VOC sern mayores a medida que aumenta la cada de presin y el aumento de la cantidad de hidrocarburos ms ligeros en el lquido. As mismo, la presin y la temperatura del petrleo en el recipiente de descarga (separador o tratador trmico) al tanque de almacenamiento afectar el volumen de los gases que resultan de la evaporacin del petrleo (flash losses). Estas prdidas Flashing o emisiones de VOC son venteados a la atmsfera a travs de la vlvula de alivio de los tanques de presin, la escotilla, o por otra abertura, o pueden tener una salida para su captura y/o uso o control del Sistema. Hasta hace poco, esto vapores de gas natural, eran liberados a la atmsfera. Ahora se pretende recuperarlos mediante Unidades de Recuperacin de Vapores (VRU). Como se puede observar en las siguientes figuras, a diferencia de los quemadores, las emisiones venteadas no son fcilmente visibles, sin embargo ellas contienen an muchos gases de efecto invernadero.

Recuperacin de Hidrocarburos de Tanques de Almacenamiento A medida que los hidrocarburos lquidos (crudos o condensados) residen en un tanque de almacenamiento atmosfrico, los hidrocarburos livianos remanentes en el petrleo son emitidos como vapores dentro del tanque de almacenamiento, lo que aumenta la presin dentro del tanque.

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Tecnologa de Recuperacin de Vapores de Tanques de Almacenamiento En la evaluacin de las posibilidades de recuperar el gas natural que es liberado a la atmsfera en diversas operaciones de produccin, una de ellas es la de recuperar los vapores de hidrocarburos livianos que se producen durante el almacenamiento del petrleo crudo en los tanques de almacenamiento. Durante el almacenamiento del petrleo crudo, el metano y otros gases se evaporan y se alojan en el espacio entre el lquido y el techo fijo del tanque. A medida que el nivel de lquido en el tanque vara, estos vapores son frecuentemente venteados o liberados a la atmsfera. Estos vapores son venteados a la atmsfera produciendo dos efectos negativos: la contaminacin al medio ambiente y la prdida econmica. Una forma de prevenir estas emisiones es instalar Unidades de Recuperacin de Vapores en tanques de almacenamiento de petrleo. Existen dos tipos de estas unidades: Las unidades de Recuperacin de Vapores Convencional (VRU); que usan compresores rotativos para succionar los vapores de los tanques de almacenamiento a presin atmosfrica. Las unidades de Recuperacin de Vapores Venturi Jet Ejector (EVRU); que usan un Eyector tipo Venturi en lugar del compresor rotativo. Este no contiene ninguna parte mvil, pero requiere una fuente de alta presin de gas y un sistema de presin intermedia. Las Unidades de Recuperacin de Vapores son sistemas relativamente simples que puede capturar aproximadamente el 95% de los vapores del gas natural que contienen elevados valores de Poder Calorfico (BTU), estos vapores luego se pueden comercializar o usarlos en el sitio como combustible. Los principales componentes de las Unidades de Recuperacin de Vapores convencional, que es la tecnologa que evaluaremos, son los separadores (depuradores) de succin, el compresor y la unidad de control automatizado.

Tpica Unidad de Recuperacin de Vapores en operacin. Esta Unidad est configurada para capturar 90 MPCD de gas natural y descarga en una lnea a 40 psig para venta.

Un elemento de diseo crtico es la seleccin del compresor. Por ello, un compresor rotativo (ya sea de Paleta deslizante (Rotary Vane) o de Tornillo (Rotary Screw), es recomendado para esta aplicacin debido a su habilidad para manejar efectivamente gases hmedos.

Factibilidad de un Proyecto de Instalacin de una VRU Proceso de Seleccin La empresas Operadoras de campos petroleros en la cuenca de Talara, que usan Tanques de almacenamiento de petrleo de techo fijo como parte de sus sistemas de recoleccin y almacenamiento en las diversas Bateras de Recoleccin, pueden evaluar los aspectos tcnicos y econmicos de instalar Unidades de Recuperacin de Vapores (VRU), siguiendo el procedimiento recomendado por los participantes del Programa Natural Gas STAR del US EPA para identificar cuando y donde se pueden instalar las VRU y que se indica lneas abajo: 1. Identificar las posibles ubicaciones para la instalacin de la Unidad de Recuperacin de Vapores; 2. Cuantificar el volumen de las emisiones de vapores; 3. Determinar el valor de las emisiones recuperadas; 4. Determinar el costo de un Proyecto de instalacin de una VRU; 5. Evaluar los aspectos econmicos del Proyecto de instalacin de una VRU.

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Viabilidad Tcnica de Instalacin de una VRU Para evaluar los aspectos tcnicos de instalar una Unidad de Recuperacin de Vapores, se deben tener en cuenta los siguientes pasos: Paso 1: Identificar las posibles ubicaciones para la instalacin de la Unidad de Recuperacin de Vapores; Prcticamente cualquier batera de tanques es un lugar potencial para una Unidad de Recuperacin de Vapores. Las claves de los proyectos exitosos de unidades de recuperacin de vapores son una fuente estable y una cantidad adecuada de vapores de petrleo adems de una salida econmica para el producto recolectado. Al seleccionar los lugares de instalacin para las unidades de recuperacin de vapores, debe considerarse el costo de transporte para conducir los vapores fuera del rea. Paso 2: Cuantificar el volumen de las emisiones de vapores; Uno de los ms importantes y tambin ms difciles problemas es determinar con precisin el valor del volumen de vapor disponible de los tanques. Las emisiones pueden medirse o calcularse. Calcular el total de emisiones de vapor de los tanques de combustible puede ser complicado debido a los muchos factores que afectan la cantidad de gas que se liberar de un tanque de petrleo. El volumen potencial de los vapores depende de: 1. La presin de operacin y la temperatura del separador que descarga el petrleo al tanque y la presin en el tanque; 2. La composicin del petrleo crudo y la gravedad API; 3. Las caractersticas de operacin del tanque (por ej., ciclos de llenado, tamao del tanque); y 4. La temperatura ambiente diaria y estacionales. Como se mencion, hay varios mtodos para calcular la cantidad de emisiones de vapor de los tanques de petrleo. Un primer mtodo (Mtodo GOR) estima las prdidas basado en las caractersticas del petrleo (analiza la gravedad API) y la presin y temperatura del separador, y mediante un grfico ayuda a determinar la relacin gas/petrleo (GOR, siglas en ingls), que se expresa en pies

cbicos estndar por barril de petrleo (pies cbicos estndar por barril). Este mtodo es una forma rpida y fcil para conseguir un estimado grueso. Es muy conservativo y generalmente subestima los niveles actuales de emisiones. Se debe observar el impacto de la gravedad del petrleo as como las altas presiones del separador. En el siguiente grfico, se muestran estas curvas que se elaboraron usando datos de evaporacin empricos de estudios de laboratorio y mediciones de campo (Anlisis PVT).

Como se ilustra, este grfico puede usarse para hallar el total aproximado de las emisiones potenciales de vapor de un barril de petrleo.

El inconveniente de este mtodo es que no genera informacin acerca de la composicin de los vapores emitidos. En particular, no puede distinguir entre compuestos orgnicos voltiles (VOC) y contaminantes peligrosos del aire (HAP), lo cual puede ser significativo para el monitoreo de la calidad del aire as como para determinar el valor de los vapores emitidos. Un segundo mtodo es usar el paquete de software E&P Tank, versin 2.0. Esta es la versin modificada del software previo; el American Petroleum Institute (API) introdujo varios cambios en este modelo para facilitar su uso. El mtodo de medicin directa consiste en registrar las prdidas usando una placa orificio y un Registrador de presiones esttica y diferencial para medir la tasa mxima de emisiones, ya que la tasa mxima se utiliza para determinar el tamao de una Unidad de Recuperacin de Vapores. Sin embargo, los medidores de gases quizs no sean apropiados para medir el volumen total a travs del tiempo debido a las bajas presiones en los tanques.

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Paso 3: Determinar el valor de las emisiones recuperadas; El valor de los vapores recuperados por las unidades de recuperacin de vapores y logrados por los productores depende de cmo se usen: 1. Usar los vapores recuperados in situ como combustible rinde un valor equivalente al combustible comprado que se desplaza, normalmente gas natural. 2. Conducir por tubera los vapores (lquidos del gas natural-metano enriquecido) a un oleoducto de recoleccin de gas natural debe rendir un precio que refleje el mayor contenido de BTU por mil pies cbicos de vapores. 3. Conducir por tubera los vapores a una planta de procesamiento que separar el gas natural licuado del flujo de gas del metano y los vender separadamente tambin debe capturar el valor del contenido total de BTU de los vapores. Cuando el contenido de BTU de los vapores es mayor, el precio por mil pies cbicos tambin ser mayor. Por otro lado, en el Ingreso Bruto se debe considerar adicionalmente el valor de los lquidos de gas natural (LGN) recuperados por condensacin.

Resultados Caso de Estudio - Proyecto Recuperacin de Vapores de Tanques en el Lote I Graa y Montero Petrolera S.A. en el Lote I que opera en el Nor Oeste del Pas, puede proyectar construir las facilidades de superficie requeridas para una Planta o Facilidad Central de Produccin (CPF), en donde se efecte la deshidratacin del petrleo, la separacin y disposicin del gas natural y el acondicionamiento e inyeccin de agua para su disposicin final. La produccin de petrleo y agua de cada batera se direccionar hacia la CPF, por medio del sistema actual de tuberas y bombas instaladas; parte del gas ser separado en cada batera y direccionado a las facilidades actuales para compresin y su posterior venta. El petrleo emulsionado ser procesado en una sola etapa de deshidratacin, en la cual se separar el agua libre y se resolver la totalidad de la emulsin, el petrleo con un contenido mximo de 0,5% de agua y sedimentos, se direccionar hacia tanques de almacenamiento ubicados en Patio de Tanques Tablazo. Toda el agua separada en la deshidratacin del petrleo, se direccionar al sistema de acondicionamiento de agua. Para un volumen de diseo de la Facilidad Central de Produccin de 2.000 BOPD y 1.000 BWPD; se estima que de la cantidad de gas que se procese, un volumen estimado es de 100 MPCD, puede ser direccionarlo a una VRU. Para evaluar los aspectos tcnicos y efectuar la Evaluacin Econmica correspondiente para instalar una Unidad de Recuperacin de Vapores en la Facilidad Central de Produccin (CPF) del Lote I, se toman en cuenta los pasos recomendados. Los resultados para dos alternativas de unidades de recuperacin de vapores de capacidad de procesamiento de 100 y 200 MPCD, son mostrados en la siguiente tabla. All se incluyen el costo de capital e instalacin, los costos de Operacin y Mantenimiento de dichas unidades a precios estimados para la zona de Talara:

Viabilidad Econmica de Instalacin de una VRU A fin de complementar la viabilidad de instalar una VRU, se debe efectuar la Evaluacin Econmica correspondiente segn los siguientes pasos: Paso 4: Determinar el costo de un Proyecto de instalacin de una VRU Los principales elementos de costo de las unidades de recuperacin de vapores son el capital inicial para el equipo y los costos de instalacin y operacin y mantenimiento. Paso 5: Evaluar los aspectos econmicos del Proyecto de instalacin de una VRU Instalar una Unidad de Recuperacin de Vapores puede ser muy rentable, dependiendo del valor de venta de los vapores recuperados en el mercado local.

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An usando un clculo conservador del valor de los vapores recuperados de 3.00 US$/MPC, el Beneficio potencial es atractivo, especialmente para unidades de gran tamao.

Conclusiones El Per cuenta con Normas Reglamentarias que establecen los trminos y condiciones operativas, a fin de permitir un mejor aprovechamiento y mayor utilidad econmica del gas natural producido en el Per; y entre ellas incluye la Norma que prohbe el venteo del gas natural o las acciones de mitigacin cuando ello sea inevitable. Se conoce que una de las ms grandes fuentes de emisiones de metano en la Industria de Petrleo y Gas est en el quemado y venteo del gas asociado proveniente de las facilidades de produccin de petrleo, siendo una de estas el venteo de gas de los tanques atmosfricos para almacenaje de petrleo en bateras y plantas de tratamiento. Las emisiones liberadas a la atmosfera, an no son fcilmente visibles o identificables sin equipo especializado, sin embargo representan importantes prdidas de gas natural, reduccin de la eficiencia operativa, emisiones de gases de efecto invernadero y potenciales riesgos de seguridad. La recuperacin de vapores no es un concepto nuevo. Sin embargo, esta tcnica no ha sido ampliamente usada en la Industria debido a una serie de problemas. Entre ellas, se puede considerar la falta de

prioridad para su uso por parte de los Operadores. Una forma de prevenir estas emisiones es instalando Unidades de Recuperacin de Vapores (VRU por sus siglas en ingls) en tanques de almacenamiento de petrleo. Las empresas productoras de petrleo de la Cuenca Talara, que usan tanques de almacenamiento de techo fijo en las diversas Bateras de Recoleccin, pueden evaluar la viabilidad tcnica de instalar las Unidades de Recuperacin de Vapores, y considerando los aspectos econmicos que implica, entre otros: identificar las posibles ubicaciones para su instalacin, cuantificar el volumen de las emisiones de vapores, determinar el valor de las emisiones recuperadas, y el costo del proyecto. La Recuperacin de Vapores puede ofrecer una alta rentabilidad, debido al costo relativamente bajo de la tecnologa y por los ingresos que se obtendran en los casos de venta (como combustible) del gas natural de los lquidos de gas natural (de alto poder calorfico) recuperados.

Bibliografa 1. Installing Vapor Recovery Units on Crude Oil Storage Tanks, Lessons Learned from Natural Gas STAR Partners and US EPA, October 2003. 2. HY-BON Engineering Company, Inc. Overview Presentation, May 2011. 3. Fundamentals of Vapor Recovery, Larry S. Richards, Hy-Bon Engineering Co, 2005. 4. Calculations of Flashing Losses/VOC Emissions from Hydrocarbon Storage Tanks, Oklahoma DEQ, July 2004.

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