64
ISSN 2477-9105 Número 22 Vol. 2 (2019)
EFICIENCIA DE MEDIDOR DE INTERFASE TIPO BOYA EN SEPARADOR
TRIFÁSICO DE CRUDO-AGUA-GAS
Gloria Miño Cascante, Juan Córdova Procel*, Janneth Viñán Villagrán, Daniela Llanos Campaña,
Christian Romero Chica
Escuela Superior Politécnica de Chimborazo, Facultad de Mecánica, Extensión Norte Amazónica,
Facultad de Administración, Riobamba - Ecuador
*juan.cordovap@espoch.edu.ec
R
esumen
En el área del petróleo una de las principales tareas consiste en separar el agua y gas del crudo, en el
presente trabajo se hace un análisis del proceso de separación en un separador de prueba trifásico de
petróleo instalado en él oriente ecuatoriano para determinar la eficiencia de separación que se obtiene
bajo las mismas condiciones de operación cuando se utiliza instrumentación de diferente tecnología. Para
obtener datos en la investigación de campo se plantea hacer pruebas en el vessel con fluidos de cinco pozos
de diferente caudal y con grado API que oscilan entre 18° y 30°, para lo cual se hacen dos tipos de pruebas
en el separador, la una con un medidor de interfase de boya instalado dentro del recipiente y la otra prueba
bajos las mismas condiciones de operación se utiliza un instrumento de onda guiada. Para determinar
la eficiencia de cada método utilizado se analiza la cantidad de partículas de agua en crudo en la línea
de descarga con pruebas en laboratorio, es así que se verifica que al utilizar el instrumento del tipo boya
el BSW promedio en la línea de descarga es de 70% mientras que con el instrumento de onda guiada los
resultados son mucho más satisfactorios con BSW promedio de 8%.
Palabras clave: eficiencia de separador, separador trifásico, interfase de petróleo
A
bstract
In the area of oil one of the main tasks consists of separate water and raw gas, from the crude, in
the present work an analysis of the separation process is made in a separator of three-phase oil test
installed in the Ecuadorian orient to determine the efficiency of separation that is obtained under
the same conditions of operation when using instrumentation of different technology. In order to
obtain data in the field investigation, it is proposed to test the vessel with fluids from five wells of
different flow and with an API grade ranging between 18º and 30º, for which two types of tests
are done in the separator, the one with a buoy interface meter installed inside the vessel and the
other test under the same operating conditions a guided wave instrument is used. To determine the
efficiency of each method used, the amount of raw water particles in the discharge line is analyzed
with laboratory tests, so it is verified that when using the instrument of the buoy type the average
BSW in the discharge line is 70% while with the guided wave instrument the results are much more
satisfactory with an average BSW of 8%.
Key words: separator efficiency, three-phase separator, oil interface
Efciency of type boya interface meter in three-phase raw-water-gas separator
Fecha de recepción: 29-08-2018 Fecha de aceptación: 17-06-2019
I. INTRODUCCIÓN
Cuando se extrae petróleo del subsuelo, éste proviene con
trazas de sedimentos, Guilizzoni acota que este uido
proviene también en presencia de una fase gaseosa, que
es muy común en la salida de un pozo
de petróleo, las burbujas perturban y de-
forman el núcleo de aceite y el anillo de
agua (1); los que son necesarios separar-
los y dejar al hidrocarburo lo más puro
65
posible para su transporte y comerciali-
zación. Para cumplir con este propósito
Mouallem indica que es necesario reali-
zarlo en la etapa de extracción (2), don-
de existen varias técnicas para separar
el agua y gas del crudo tales como hacer
pasar el uido por separadores electros-
táticos, uso de químicos, decantación en
el tanque, separadores gravitacionales,
entre otros. Cada uno de estos procesos
tienen su particularidad al momento
de separar el agua y gas del petróleo, y
dependerá en gran medida de las carac-
terísticas del uido para seleccionar el
equipo que realizará este proceso.
La gota de crudo está compuesta por tres
partículas que son gas, agua y crudo, y
la funcionalidad del separador trifásico
tipo gravitatorio consiste en separar es-
tas partículas en un tiempo determina-
do (tiempo de residencia) que está liga-
do básicamente al diámetro de la gota y
de éste dependerá el dimensionamiento
mecánico del recipiente.
Una vez realizada la separación, cada
partícula recorrerá por las tuberías dis-
puestas en el equipo que son una línea
para el gas, otra para el agua y la tercera
para el crudo ya separado. La eciencia
de separación se lo verica en la línea
de crudo con el análisis del porcentaje
de agua y sedimentos contenido en el
hidrocarburo, a esta variable que se re-
presenta en porcentaje se la denomina
BSW (Basic Sediment and Water). El se-
parador está equipado con instrumentos
lo que hace que el proceso sea automati-
zado, Antlinger indica que los paráme-
tros de uidos como son la viscosidad,
la densidad de masa y la velocidad del
sonido se pueden determinar utilizando
sensores ultrasónicos (3).
Los inconvenientes más comunes en el
proceso de separación en un proceso tri-
fásico entre otros son, los resultados no
coinciden con los históricos del pozo,
que el separador se inunde debido a falla
en los instrumentos o válvulas instaladas en las tuberías,
lo cual provoca derrames, incendios entre otros, otro pro-
blema común es el que no separe, como indica Zhang,
que en comparación con el ujo de dos fases, el ujo de
tres fases es más complejo separarlo (4).
El presente trabajo se desarrolló en la evaluación de un
separador denominado de prueba tipo gravitatorio con
capacidad de proceso de cinco mil barriles de uido por
día instalado en una estación petrolera en el oriente ecua-
toriano y el objetivo de investigación fue determinar la
eciencia del separador trifásico de prueba que trabaja
con un instrumento de boyas el cual mide la interfase
crudo-agua.
Chávez, sugiere que para el diseño de separadores hori-
zontales se debe considerar las variables de temperatura,
viscosidad, caudal de operación, presión de diseño y para
el dimensionamiento del vessel o recipiente a presión,
las tasas de ujo mínimas y máximas del líquido y del
gas, el número de fases que debe manejar el separador,
las impurezas que puedan estar presentes en los uidos,
tales como arena, parana, la tendencia hacer espuma de
los uidos y su incidencia en la corriente aguas abajo, el
efecto de la velocidad de erosión, luego con estos datos se
realiza las simulaciones necesarias tanto en soware de
procesos como en los de diseño mecánico (5). Mientras
que Cadena recomienda como calcular el tiempo de resi-
dencia necesario para garantizar una correcta separación
de las fases (6).
Un soware muy utilizado para el diseño de procesos es
el Hysys mientras que el para diseño mecánico de reci-
pientes a presión es el Compress que trabaja bajo la nor-
mativa de la Sociedad Americana de Ingenieros Mecáni-
cos (ASME) en su sección ocho. Toda simulación es ideal,
los problemas que se presentan a menudo en este tipo de
diseños son cuando las variables consideradas para la in-
geniería básica no son las mismas que están presentes en
el campo, es así como los crudos ecuatorianos tienen un
gran porcentaje de emulsión como es el caso de los ui-
dos considerados para la investigación.
Velásquez conrma que una emulsión es una mezcla de
dos líquidos inmiscibles, es decir, dos líquidos que no
se mezclan bajo condiciones normales, uno de los cua-
les está disperso como gotas en el otro, y su estabilizador
es un agente emulsionante y que la complejidad de las
emulsiones en el petróleo depende de su composición en
términos de las moléculas con actividad interfacial, prin-
Miño, Córdova, Viñan, Llanos, Romero
66
ISSN 2477-9105 Número 22 Vol. 2 (2019)
cipalmente resinas y asfaltenos (7).
Cai indica que la separación de emulsiones de aceite-agua
estabilizadas es difícil y un desafío global (8), mientras
Riaza sugiere que para estabilizar las emulsiones se debe
usar pequeñas partículas sólidas de 10 nm de diámetro
para la estabilización de emulsiones y espumas (9), es así
que Kasys indica como poder calcular la viscosidad de
estos uidos emulsionados con instrumentos de onda
guiada (10). La metodología aplicada en este estudio es
la experimental, donde la hipótesis planteada es que el se-
parador provisto de un instrumento del tipo onda guiada
para medir la interfase será más eciente que el separador
provisto con un instrumento de boyas. La investigación
se la dividió en dos etapas, la primera consiste en obtener
resultados de BSW a la salida de crudo del separador que
funciona con boyas, y la segunda etapa hacer los mismos
pasos en el separador con la particularidad de sustituir
el instrumento de boya por uno de tecnología de onda
guiada y luego comparar los resultados. Arias propone
los instrumentos de onda guiada para procesos de sepa-
ración de petróleo con emulsiones (11).
II. MATERIALES Y MÉTODOS
Se dispuso de información de las variables con las cua-
les fue diseñado el separador de prueba, al igual de las
variables físicas de los crudos que se debería utilizar en
la operación que fue de 25° API con una tolerancia ± 3°.
El vessel utilizado para el estudio fue un recipiente di-
señado bajo normativa de la Sociedad Americana de In-
genieros Mecánicos (ASME) en su sección ocho, con los
datos de la Tabla 1, que garantizan cumplir con el tiempo
de residencia necesario, Martínez indica que a partir de la
ecuación 1 se podrá calcular la velocidad crítica de la par-
tícula (12), y así el tiempo de residencia necesario para
obtener el BSW (cantidad de agua en crudo) planteado
menor al 10% en la línea de crudo.
Mínima Nominal Máxima
Diámetro (in) 54
Longitud (in) 192
Presión diseño (psi) 100
Presión operación (psi) 26 28 30
Volumen crudo (BPD) 321 2675 3650
Volumen Agua (BPD) 3543 3543 3543
Volumen de gas
(MMSCFD)
0,5 1,0 1,0
En vista de que la eciencia de la opera-
ción del separador cuando operaba con
el instrumento de boya fue ineciente, se
planteó determinar la falla a través de la
matriz causa efecto y sus desviaciones en
cada etapa. En primer lugar, se decidió
revisar que todos los instrumentos estén
en buen estado y den la señal correcta,
luego se vericó que el recipiente cum-
pla los mínimos de diseño mecánico,
Naderipor arma que el cociente entre
la longitud del recipiente y su diámetro
deberá estar entre 2,5 y 4 para garanti-
zar que se produzca la separación (13),
a esta teoría lo conrma Martínez (12).
Si 2,5 <
L
D
< 4,0 entonces K = 0,4
L: longitud del separador (mínimo 7,5
pies)
D: diámetro del separador (pies)
2,5 <
16
45
,
< 4,0
Vc = K
lg
g
�
Ecuación 1
Vc = 1,541 / min
Vc = Velocidad crítica de la partícula
K= constante de Souders y Brown
ρ
l
= densidad del líquido en condicio-
nes de operación, lb / 3
ρ
g
= densidad del gas en condiciones de
operación, lb / 3
Tiempo de residencia = 10 a 18 min
Se debe calcular la velocidad crítica de
la partícula conocida como muestra la
ecuación 1, para llegar a determinar al
área transversal del recipiente, luego con
este valor y las densidades de los uidos
se calcula el tiempo de residencia, es de-
cir el tiempo que permanece la partícula
de crudo en el recipiente desde la entra-
da hasta la salida. Al realizar las simu-
laciones del proceso y revisar los pará-
metros en el diseño mecánico tanto del
vessel como de las tuberías de alimen-
Tabla 1. Dimensionamiento del vessel
67
Miño, Córdova, Viñan, Llanos, Romero
tación y descarga, estos resultados son
satisfactorios, es así como resta revisar
las propiedades del crudo con pruebas
de laboratorio para determinar las ca-
racterísticas de los uidos y cromatogra-
fía del gas, donde se pudo vericar que
unos uidos contenían emulsión dura y
en otros casos emulsión blanda.
Para trazar una línea base, se decide se-
leccionar cinco pozos en función de la
semejanza de sus propiedades físicas y
químicas del crudo las cuales deben ser
semejantes a las variables que se con-
sideraron en el dimensionamiento del
separador, como se observa en la Tabla
2 que las gravedades especícas de los
crudos estudiados oscilan entre 18,2 y
32,1 °API, con temperaturas relativa-
mente normales en promedio de 102 °F.
El inconveniente se presentó en que los
uidos contienen emulsión, lo cual es
bastante difícil poder romper en un se-
parador del tipo gravitatorio.
Temperatura
observada
°F
°API
obser-
vado
BSW
%
Viscosi-
dad cP
Pozo
1
74,5 20,5 62,031 29,6
Pozo
2
75,8 25,1 67,980 22,4
Pozo
3
88,2 18,2 62,000 43,2
Pozo
4
78,2 32,1 54,350 25,5
Pozo
5
81,1 22,2 59,901 32,7
La simulación necesaria se lo hizo me-
diante soware como se observa el resu-
men en la Figura 1, los comportamien-
tos ideales de la partícula de petróleo
conforme cambian sus propiedades físi-
cas; una vez seleccionados los pozos se
procedió a realizar las pruebas en cam-
po, donde se hizo pasar por el separa-
dor durante veinte y cuatro horas con
él instrumento análogo de medidor de
boya el cual determina la interfase por
diferencia de densidades en el uido, de
esta información dependerá la apertura de válvulas en
las dos líneas que son agua libre, crudo mientras que las
variables de presión y nivel abrirá o cerrará según sea el
caso la línea de gas.
La prueba que duró veinte cuatro horas consiste en hacer
pasar el uido de un pozo por el separador de prueba que
está equipado con un tablero de control con PLC y panta-
lla HMI donde se puede observar los valores de caudales
en las tres líneas. Cada cuatro horas se toma muestras de
uido en la línea de salida de crudo y se procedió hacer
el análisis de BSW en laboratorio mediante centrifugado,
estos datos al igual de los caudales, temperaturas, presio-
nes fueron tabulados y compilados para su análisis res-
pectivo.
Para garantizar los resultados las pruebas de veinte y cua-
tro horas fueron realizadas con una frecuencia de una
vez al mes en lo posible en condiciones climáticas dife-
rentes, posterior se procedió a cambiar el instrumento
de medidor de interfase de boyas, (ver Figura 2) por uno
de tecnología de onda guiada (ver Figura 3) y se repite
el procedimiento con los cinco pozos antes probados, es
así como las pruebas en total duraron aproximadamente
doce meses.
Tabla 2. Características físicas de los crudos probados
Figura1. Simulación del proceso de separación
Figura2. Medidor de interfase del tipo boya
68
ISSN 2477-9105 Número 22 Vol. 2 (2019)
En la Figura 4 se observa la simulación del comporta-
miento de la partícula de crudo y como el BSW varía en
función de la temperatura.
En el proceso de pruebas se vericó la presencia de emul-
sión en los pozos, lo que afectó al proceso sobre todo en el
tiempo de residencia y en el desempeño del equipo.
III. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Los resultados obtenidos en las pruebas con el instrumen-
to de boya son poco alentadores, ya que éste instrumento
en su etapa de ingeniería fue seleccionado con la variable
de gravedad especíca, el cual operaría en un rango de
operación de ± 3 °API, que prácticamente es una desven-
taja en un separador de prueba, ya que la función de este
equipo es utilizarlo con todos los pozos para monitorear
la producción de la estación, pero al vericar que el BSW
obtenido en la línea de salida de crudo es en promedio
60%, es crítico mantener el equipo en operación, mu-
cho más cuando se conoce que el uido está emulsionado
lo que provoca que la boya no ote en la interfase, (ver
Figura 5) sino en la emulsión, de tal forma que la señal
que envía la boya para que abra la válvula
de la línea de agua se mantenga abierta
(ver Figura 6) y no se pueda cumplir el
tiempo de residencia requerido para la
correcta separación.
En las guras 7,8,9,10,11 se puede obser-
var lo inestable que resulta el separador
cuando se utiliza el instrumento de boya,
se puede apreciar en cada gráca en el eje
de las abscisas la cantidad de muestras
tomadas por cada uno de los cinco pozos
estudiados, y en el eje de las ordenadas
el BSW hallado en laboratorio, así las
lecturas tanto en laboratorio como en los
instrumentos de medición provistos en
el equipo presentaron valores muy dis-
persos, aparte de que se encuentran por
encima de la meta que fue menor al 10%
de BSW en la línea de descarga de crudo.
Figura3. Medidor de interfase de onda guiada.
Figura4. BSW previsto con °API 20
Figura 5: Esquema de la presencia de emulsión en el tanque
trifásico
Figura 6: Esquema general de separador trifásico de 5 000
BFPD
Figura 7: Cantidad de agua en crudo a la salida del separador
69
Para mejorar la separación y romper la
emulsión se procedió a ingresar químico
aguas arriba del separador del tipo d
e-
mulsicante de acción rápida y antiparafìnico, sin embar-
go, los problemas persistieron en todos los pozos incluso
en más de una ocasión inundándose el separador debido
a que la boya dejaba de otar y más bien se hundía lo que
ocasiona que la válvula de control de agua permanezca
cerrada y la línea de crudo no abastecía para todo el ui-
do. Luego de cambiar el instrumento de interfase por uno
de onda guiada los resultados cambiaron notablemente,
así se verican en las Figuras 7,8, 9,10,11.
Varios autores y en especial los fabricantes de instru-
mentación sugieren por medio de sus catálogos el uso
de instrumentos del tipo boya para medir interfase, sin
embargo, hay que notar que luego de esta investigación
que estos instrumentos no son ecientes cuando los ui-
dos presentan emulsión, eso limita al rango de trabajo
del equipo. Mientras que el instrumento de onda guia-
da seleccionado para este caso particular tiene un rango
mucho más amplio y efectivo al momento de detectar la
interfase ya que su principio consiste en medir diferen-
cia de gravedades especícas y el uido a pesar de tener
emulsiones la señal enviada por el instrumento es mucho
más efectiva, de esta forma se verica que el tiempo de
residencia se mantiene en el vessel y por ende los resulta-
dos de BSW en la salida de crudo son satisfactorios con
8% promedio.
IV. CONCLUSIONES
Para determinar el desempeño o eciencia de un separa-
dor trifásico se lo puede hallar al analizar variables de su
operación tales como BSW a la salida de crudo, caudal de
agua, caudal de crudo, caudal de gas, inundación, presión,
entre otros, es así como al evaluar el BSW en la descarga
del equipo se verica si separó o no el agua del crudo. En
esta investigación se concluye que para medir la interfase
el instrumento de boyas no ayuda en el proceso de sepa-
ración cuando se trata de crudo emulsionado, mientras
que si se opera con un instrumento de tecnología de onda
guiada la eciencia se incrementa súbitamente hasta lle-
gar incluso a valores menores al 8% de BSW en la línea de
descarga. Se puede acotar que el medidor de boya es muy
eciente para calcular el nivel total, es decir, ideal para ser
instalado en la cámara de crudo.
Figura 10: Cantidad de agua en crudo a la salida del separador
Figura 11: Cantidad de agua en crudo a la salida del separador
Miño, Córdova, Viñan, Llanos, Romero
Figura 8: Cantidad de agua en crudo a la salida del separador
Figura 9: Cantidad de agua en crudo a la salida del separador
70
ISSN 2477-9105 Número 22 Vol. 2 (2019)
R
eferencias
1. Guilizzoni M, Baccini B, Sotgia G, Pietro L, Colombo M. Image-based analysus of intermittent
three-phase flow. Int Multiph Flow. 2018;
2. Mouallem C. Perspectives for use of hydraulic fracturing in oil and gas production. Min
Min [Internet]. 2014;67(4):373–8. Available from: http://www.redalyc.org/articulo.oa?i-
d=56432577004%0AHow
3. Antlinger H, Clara S, Beigelbeck R, Cerimovic S, Keplinger F, Jakoby B. An acoustic transmis-
sion sensor for the longitudinal viscosity of fluids. Procedia Eng. 2012;47:248–52.
4. Zhang G, Yao G, Li J, Wu H, Liu Z, Li D. A new experimental method for measuring the
three-phase relative permeability of oil , gas , and water. Pet Sci Eng [Internet]. 2018;170:611–9.
Available from: www.elsevier.com/locate/petrol
5. Chávez J. Diseño y simulación de separadores horizontal y vertical de tres fases [Internet].
Universidad de las Fuerzas Armadas; 2015. Available from: https://repositorio.espe.edu.ec/bits-
tream/21000/10385/1/T-ESPE-048867.pdf
6. Cadena G, Criollo O. Determinación de los parámetros óptimos de separación y tratamiento de
petróleo crudo en el campo Oso del Bloque 7 en el oriente ecuatoriano. Escuela Politécnica Nacio-
nal; 2016.
7. Velásquez I, Pereira JC. Emulsiones de agua en crudo, Aspectos generales. Ing UC [Internet].
2014;21(3):45–54. Available from: http://www.redalyc.org/articulo.oa?id=70732643007
8. Cai Y, Chen D, Li N, Li H, He J, Lu J, et al. A smart membrane with antifouling capability and
switchable oil wettability for oil / water emulsions separation. J Menbrane Sci [Internet]. 2018;
Available from: www.elsevier.com/locate/memsci
9. Riaza S, Cortés FB, Otalvaro J. Emulsions with heavy crude oil in presence of nanoparticles.
Boletion ciensias la tierra [Internet]. 2014;36:55–68. Available from: http://www.revistas.unal.edu.
co/index.php/rbct%0AEmulsions
10. Kazys R, Mazeika L, Sliteris R, Raisutis R. Measurement of viscosity of highly viscous non-New-
tonian fluids by means of ultrasonic guided waves. Ultrasonics. 2014;54(6):1714.
11. Arias V, Daniel C. Diseño e implementación del sistema SCADA para la visualización de nive-
les de tanques de diesel para el consumo de las turbinas de generación eléctrica de la refinería la
libertad de EP Petroecuador. [Internet]. 2013. Available from: http://repositorio.espe.edu.ec/hand-
le/21000/6876
12. Martínez M. Diseño conceptual de separadores. Maracaibo; 2011. 274 p.
13. Naderipor I, Khorshidi J. The Experimental Study on Effects of Height and Hold up on performan-
ce of Vertical Gas-Liquid Separator using Amin Contactor Tower. Cienc e Nat [Internet]. 2015;37(6–
1):93–103. Available from: http://www.redalyc.org/articulo.oa?id=467547682015%0AHow