Factores que intervienen en la estabilidad de una emulsión agua-aceite

1 INTRODUCCIÓN

Desde los inicios de la explotación del petróleo, la industria petrolera ha tenido que enfrentarse a la producción conjunta de agua y aceite que ocasiona la formación de emulsiones no deseadas.

El agua y el aceite son esencialmente inmiscibles, por lo que estos dos líquidos coexisten como dos capas separadas o, si se agitan, como una emulsión o dispersión de una fase dentro de la otra.

La formación de emulsiones es un problema crítico por diversos factores como que presentan viscosidades significativamente más altas que la del petróleo crudo, lo cual aumenta los costos de bombeo para el transporte de crudo en tuberías; el agua emulsionada puede corroer el equipo de la refinería y las sales disueltas en agua pueden envenenar los catalizadores en las instalaciones de procesamiento, etc.

La formación de emulsiones se promueve mediante la mezcla en el equipo utilizado en las etapas de extracción y refinación de petróleo y se estabilizan por la presencia de agentes tensioactivos naturales. Estos agentes tensioactivos que se encuentran comúnmente en los aceites crudos, como los asfáltenos, resinas, ceras y partículas sólidas, forman películas rígidas en la interfaz agua-aceite, que evitan la fusión de las gotas de agua.

2 Emulsión

Una emulsión es la suspensión de pequeñas gotas de un líquido dispersas en otro líquido. El líquido presente en forma de las gotas es la fase dispersa o interna, mientras que el líquido que lo rodea es la fase continua o fase externa.

Las emulsiones se clasifican de acuerdo al tamaño de las gotas dispersas de la siguiente manera:

Tabla 1. Clasificación de las emulsiones de acuerdo al tamaño de la gota

Para formar una emulsión se necesitan tres requisitos:

1. Dos líquidos inmiscibles.

2. Suficiente agitación para dispersar un líquido en pequeñas gotas.

3. Un emulsificante para estabilizar la dispersión de las gotas.

Las emulsiones son causadas por agitación en la mezcla aceite-agua porque las fuerzas de corte rompen el líquido disperso en pequeñas gotas. La tensión interfacial tiende a coalescer las gotas dispersas, algunas de las cuales, en fase continua, tienen una amplia área interfacial colectiva, pero según coalescen las partículas, se reduce su área interfacial total.

Dos líquidos puros e inmiscibles no pueden formar una emulsión estable, por lo que para estabilizar la emulsión se necesita de una tercera sustancia, un agente emulsificante o emulsificador. Un emulsificante común es un surfactante o agente tensoactivo, éstos estabilizan las emulsiones al migrar a la interfaz aceite-agua formando una película interfacial alrededor de las gotas. Esta película estabiliza la emulsión de la siguiente manera:

1. Reduciendo las fuerzas de tensión superficial al disminuir la energía requerida para cortar la fase dispersa en pequeñas gotas, lo que también reduce la energía disponible para coalescer las gotas.

2. Mediante la formación de una barrera viscosa que inhibe la coalescencia de las gotas.

3. Al alinear (si son polares) las moléculas surfactantes en la superficie de la gota, produciendo una carga eléctrica, la cual causa que las gotas se repelen entre sí.

Un segundo mecanismo de estabilización ocurre cuando los emulsificantes son partículas sólidas muy finas, para que puedan ser agentes emulsionantes deben ser más pequeñas que las gotas suspendidas y deben ser “mojadas” por las fases aceite y agua, entonces se reúnen en la superficie de la gota y forman una barrera física. Un ejemplo de este tipo es la arena.

En los campos petroleros las emulsiones se clasifican en dos tipos:

• Emulsión directa (agua en aceite): (water-in-oil, w/o) es aquella en donde las gotas de agua están dispersas y encapsuladas en el aceite, es decir, la fase continua está formada por el aceite. Este tipo de emulsión es el que normalmente se encuentra presente en los campos de producción de aceite y representa un gran problema para el transporte del aceite, ya que la formación de una emulsión directa representa considerables caídas de presión en las líneas debido a que la viscosidad y densidad aumentan al formarse dicha emulsión.

• Emulsión inversa (aceite en agua): (oil-in-water, o/w) es aquella en donde las gotas de aceite están dispersas y encapsuladas en la columna de agua, es decir, la fase continua está formada por el agua y la fase dispersa está formada por las gotas de aceite. Esta cualidad tiene como consecuencia que las propiedades que imperan son las de la fase continua, lo cual favorece al transporte de la producción, teniendo una viscosidad menor que la del crudo pesado y extrapesado.

La Figura 1 ilustra una gota de emulsión aceite en agua y la forma en que está distribuido el surfactante en una gota de crudo y la interfaz agua-aceite.

Figura 1. Interfaz Agua-Aceite de una emulsión inversa

También pueden ocurrir emulsiones múltiples como:

Aceite-agua-aceite (o/w/o): consiste en gotas de aceite dispersas en gotas de agua que sucesivamente se dispersan en la fase continua de aceite.

Agua-aceite-agua (w/o/w): consiste en gotas de agua dispersas en grandes gotas de aceite que sucesivamente se dispersan en la fase continua de agua.

Actualmente se encuentran disponibles numerosas técnicas para romper las emulsiones w/o, incluidos métodos mecánicos, como asentadores por gravedad o separadores centrífugos; aplicación de campos eléctricos (electrocoalescentes), calentamiento convencional y demulsificación por microondas, ajuste de pH, separación de membrana y demulsificación química.

La aplicación de demulsionantes químicos es una de los métodos más aplicados ya que tiene como ventaja la posibilidad de integrarse, de manera relativamente fácil, en unidades de separación agua-aceite ya existentes sin la necesidad de parar operaciones y con costos relativamente bajos. Implica el uso de moléculas que, gracias a su actividad interfacial, aceleran la ruptura de la película interfacial, promoviendo así la floculación y coalescencia de las gotas de agua.

Los agentes emulsificantes para las emulsiones directas se clasifican de la siguiente manera:

1. Compuestos autóctonos de superficie activa, como asfáltenos y resinas que contienen ácidos y bases, ácidos nafténicos, ácidos carboxílicos, compuestos de sulfuro, fenoles y otros surfactantes de alto peso molecular que ocurren de manera natural.

2. Sólidos finamente divididos, como arena, arcilla, esquistos, lodos de perforación, fluidos de reparación, ceras o parafinas cristalizadas, asfáltenos precipitados y resinas. En el campo, los químicos de reparación son notablemente efectivos en causar emulsiones muy estables.

3. Químicos añadidos, como inhibidores de corrosión, bioácidos, dispersantes de parafinas, limpiadores, surfactantes, agentes mojantes y químicos de estimulación. Las técnicas de recuperación mejoradas (EOR) como combustión en sitio, polímeros, surfactantes e inundación cáustica pueden causar serios problemas de emulsión.

3 Estabilidad de una emulsión

Las emulsiones poseen energía interfacial, por lo que son termodinámicamente inestables. Los dos líquidos inmiscibles pueden separarse, es decir, la emulsión puede romperse por tres mecanismos:

• Sedimentación o cremado: La sedimentación se refiere a la caída de gotas de agua (agua y sedimentos, s&w) en un crudo, mientras que el cremado describe el ascenso de las gotas de aceite en el agua producida.

• Agregación: es la aglomeración de dos o más gotas. Las gotas mantienen su identidad individual y se tocan sólo en puntos discretos, y esencialmente no hay cambio en el área de superficie total.

• Coalescencia: ocurre cuando las gotas originales pierden su identidad y se fusionan en una gota más grande, reduciendo así el área interfacial total.

Las fuerzas de gravedad o flotabilidad que resultan de cualquier diferencia de densidad entre las fases continua y dispersa causan que las gotas caigan o suban.

La estabilidad de una emulsión depende de los siguientes parámetros:

3.1 Película interfacial

Las gotas dispersas colisionan constantemente debido a que están en constante movimiento, por lo tanto, se necesita de una película interfacial suficientemente fuerte para prevenir la coalescencia para mantener la estabilidad de una emulsión. Con una mezcla de surfactantes, como una combinación soluble en aceite o soluble en agua, se puede formar una película resistente cerrada mecánicamente.

Las películas en emulsiones w/o deben ser muy resistentes debido a que las gotas de agua no tienen una carga eléctrica para crear fuerzas de repulsión. La resistencia y rigidez de las películas interfaciales se puede notar en la forma irregular de las gotas de agua en emulsiones de aceite, por el contrario, las gotas de aceite en emulsiones o/w son esféricas.

3.2 Barreras eléctricas o estéricas

Hay muy poca carga en las gotas dispersas en emulsiones w/o, por lo tanto, no hay barrera eléctrica para la coalescencia. La Figura 2 muestra cómo una partícula sólida se debe mojar por las dos fases para permanecer en una interface aceite-agua. Si la partícula es mojada por aceite (el ángulo de contacto entre el límite aceite-sólido-agua es >90°), se produce una emulsión w/o. De lo contrario, si la partícula es mojada por agua, se produce una emulsión o/w. Un ángulo de contacto cercano a 90° produce una emulsión estable debido a que las partículas permanecen en la superficie y crean una barrera estérica.

Figura 2. Partículas distribuidas en una interfaz aceite-agua

3.3 Viscosidad de la fase continua

Una alta viscosidad en la fase externa disminuye el coeficiente de difusión y la frecuencia de colisión de las gotas, incrementando así la estabilidad de la emulsión. El tener alta concentración de gotas también incrementa la viscosidad aparente de la fase continua y la estabilidad de la emulsión. Las emulsiones son, por lo general, fluidos no-Newtonianos.

3.4 Tamaño de la gota

Las gotas pequeñas producen una emulsión más estable debido a que gotas grandes tienden a crecer al consumir a las más pequeñas. Una amplia distribución del tamaño de las partículas produce una emulsión menos estable que una distribución uniforme del tamaño de la gota.

3.5 Relación volumen-fase

Al incrementar el volumen de la fase dispersa se incrementa el número de gotas y/o el tamaño de la gota, el área interfacial y el exceso de energía superficial. La distancia de separación también disminuye, lo que incrementa la colisión de las gotas. Todos estos factores disminuyen la estabilidad de la emulsión.

3.6 Temperatura

Por lo general, la temperatura tiene un gran efecto en la estabilidad. Al incrementar la temperatura, incrementa la difusión de la gota, disminuye la viscosidad de la fase externa y altera la película interfacial al cambiar las fuerzas de tensión superficiales y la solubilidad relativa de los agentes emulsificantes. Todos estos cambios disminuyen la estabilidad de la emulsión.

3.7 pH

Añadir ácidos o bases inorgánicos cambia radicalmente los asfáltenos que forman las películas y resinas que estabilizan las emulsiones w/o. Ajustar el pH puede minimizar las características estabilizadoras de la emulsión de la película, incrementando así la tensión interfacial.

3.8 Edad

La edad incrementa la estabilidad de la emulsión porque el tiempo permite que los tensioactivos naturales migren hacia la interfaz de la gota. La película o la piel que rodea las gotas se vuelve más gruesa, más resistente y más dura. La cantidad de agentes emulsificantes puede incrementar debido a la oxidación, fotólisis o bacterias.

3.9 Salinidad de la salmuera

La concentración de la salmuera es un factor importante en la formación de emulsiones estables. El agua con bajas concentraciones de sal favorece las emulsiones estables, mientras que altas concentraciones de sal favorecen las emulsiones sueltas.

3.10 Tipo de aceite

Los crudos con aceites parafínicos usualmente no forman emulsiones estables, mientras que aceites nafténicos y de base mixta, sí. Ceras, resinas, asfáltenos y otros sólidos pueden influenciar en la estabilidad de una emulsión. En otras palabras, el tipo de crudo determina la cantidad y el tipo de emulsionantes.

3.11 Diferencia de densidades

La fuerza de gravedad neta que actúa sobre cualquier gota es directamente proporcional a la diferencia en densidades de la gota y la fase circundante.

4 Efectos de las propiedades de los fluidos producidos en la estabilidad de una emulsión

La Ley de Stokes puede ser usada para determinar los efectos de las propiedades de los fluidos producidos en la estabilidad de una emulsión. La ley de Stokes enuncia que la velocidad de asentamiento de una partícula es directamente proporcional al producto de su diámetro y la diferencia de densidades del fluido y la partícula e inversamente proporcional a la viscosidad del fluido, sirve para determinar la velocidad de asentamiento de una partícula pesada que se encuentra disuelta en un fluido o en caso contrario para determinar la velocidad de elevación de una partícula ligera disuelta en el fluido. Es por eso que la ley de Stokes es el fundamento para analizar la separación de gotas de agua que se encuentran dispersas en el aceite.

Densidad

• Aceite crudo. Por encima de los 200°F, la diferencia de densidades entre el agua y el crudo disminuye. (Bansbach and Bessler, 1975).

• Salmuera. El efecto de la presión es menor, al incrementar la presión 2,000 psi, incrementa la densidad en aproximadamente 0.2%. (McCain,1990).

• Emulsiones. La salmuera producida y sus sedimentos asociados reducen la gravedad API del aceite crudo, y, por lo tanto, su valor.

Viscosidad

• Aceite crudo. La viscosidad del gas libre varía con la °API y la temperatura. El gas en solución reduce la viscosidad del crudo. (McCain,1990).

• Salmuera. La variación con la presión se descuida. (McCain,1990).

• Emulsiones. La viscosidad del 50% de la emulsión directa fue de 6 a 20 veces mayor que la del crudo base. (Thompson et al., 1985).

5 Prevención de emulsiones

Sin duda, las emulsiones se forman en la tubería de producción o en las instalaciones de superficie. Para evitar su formación, hay que eliminar la turbulencia y remover el agua del aceite en las instalaciones superficiales tan pronto como sea posible.

Dado que no siempre es posible llevar a cabo estas acciones, es necesario prever el tratamiento de las emulsiones formadas. Las mayores fuentes de formación de emulsiones son las siguientes:

5.1 Pozos fluyentes

En pozos fluyentes se produce una agitación considerable por el gas que sale de la solución según disminuye la presión. Este gas también causa turbulencia al fluir por los disparos, filtros, estranguladores, bordes agudos en las tuberías, etc.

Esta turbulencia no se puede prevenir, pero sí reducir, por medio de la instalación de un estrangulador más grande o al mantener una contrapresión mayor en la parte aguas abajo del estrangulador. Un estrangulador en el fondo del pozo es una buena opción para causar menor emulsificación ya que a menudo disminuye la estabilidad y cantidad de la emulsión producida, debido a los siguientes puntos:

1. Hay menor presión diferencial en un estrangulador en el fondo del pozo.

2. Las temperaturas de fondo son considerablemente más altas que las temperaturas de superficie, y el calentamiento rompe las emulsiones.

3. Hay flujo laminar durante una larga distancia en la parte aguas abajo del estrangulador y, por lo tanto, menos turbulencia.

5.2 Pozos con inyección de gas

En pozos con inyección de gas la emulsificación se genera principalmente en el punto en el que el gas es introducido en el flujo y en la cabeza del pozo.

Al determinar qué tipo de inyección de gas es más eficiente, ya sea gas intermitente o gas continuo, se deben considerar los problemas de emulsión que se puede encontrar, cómo pueden ser tratados y a qué costo. Cuando se usa gas intermitente, la emulsión usualmente se forma en la cabeza del pozo o en el equipo de superficie. Por otro lado, con el uso de gas continuo, gran parte de la emulsión se forma en el fondo del pozo en el punto de inyección del gas.

5.3 Pozos con bombeo

En pozos con bombeo la fuente de emulsificación se encuentra en la bomba y tuberías. Las causas de turbulencia son:

1. Fuga en las válvulas de pie, válvula viajera, émbolos, copas y otras partes de la bomba.

2. Producción de gas que causa considerable turbulencia en las partes estrechas de la bomba.

3. Golpes en la bomba que causan que las varillas se azoten y creen turbulencia adicional.

La turbulencia se puede minimizar al usar una bomba con válvulas de pie y viajera de gran tamaño, y una velocidad y longitud de carrera apropiada. Para pozos productores de gas, un ancla de gas puede reducir la turbulencia.

Las fuentes principales de turbulencia en manifolds y tuberías de recolección son las bombas, válvulas y conexiones en las que la dirección del flujo cambia de manera abrupta. Es probable que la turbulencia producida en una sección recta sea suficiente para formar una emulsión, especialmente en el caso de flujo gas-líquido. Otras fuentes de emulsificación en los equipos de producción son las válvulas de descarga en los separadores, golpes de agua libre y tanques de asentamiento.

6 CONCLUSIÓN

Las emulsiones más comunes en la industria petrolera son del tipo agua en aceite, estas emulsiones deben ser separadas ya que representan un problema crítico por cuestiones económicas y operacionales en el transporte, estabilización y tratamiento de los hidrocarburos.

La inestabilidad o la tasa a la cual las gotas dispersas coalescen y rompen la emulsión depende de los siguientes parámetros como película interfacial, barreras eléctricas o estéricas, viscosidad de la fase continua, tamaño de la gota, relación volumen-fase, temperatura, pH, edad, salinidad de la salmuera, tipo de aceite y diferencia de densidades.

Existen diferentes técnicas para romper las emulsiones, entre las cuales se destacan los químicos demulsificantes debido a la flexibilidad en el proceso y por sus costos bajos. Este proceso implica el uso de aditivos químicos con el fin de acelerar el proceso de rompimiento, el demulsificador se adsorbe en la película interfacial, debilitando la barrera interfacial y separando las gotas de agua.

En algunos casos, la inconveniencia de un estrangulador en el fondo se compensa con la parte económica que representa el disminuir el uso de tratamiento de emulsiones, como la adición químicos demulsionantes y/o combustible para calentamiento.

7 BIBLIOGRAFÍA

• Albers W., Overbeek J.T. Stability of emulsions of water in oil.

• Francis S. Manining, Richard E. Thompsom. Oilfield Processing.

• Bourrel M., Schechter R.S. 1988. Microemulsions and Related Systems. Marcel Dekker.

• Chemical demulsification of model water-in-oil emulsions with low water content by means of ionic liquids

• Sullivan, A. P., Zaki, N. N., Sjöblom, J. and Kilpatrick, P. K., The Stability of water-in-crude and model oil emulsions.