O sistema de filtração é o processo de separar um sólido particulado de um fluido, fazendo com que o sólido fique preso em um meio poroso e o líquido passe através desse meio. Para cada método de filtração existe um tipo de filtro diferente. Os filtros para offshore são produtos que auxiliam a exploração de petróleo em águas profundas, geralmente constituídos de membranas de osmose reversa e ultrafiltração.
Na indústria de petróleo e gás, a tecnologia de ultrafiltração pode ser utilizada nas refinarias para geração de água potável, pré-tratamento da osmose reversa e reúso de água. Para facilitar a extração do petróleo as companhias injetam água nos poços para forçar a saída do líquido (petróleo) e esta água é extraída do próprio mar, tratada e retornada ao poço. A nanofiltração é um tipo de membrana que está sendo aplicada para este fim, este tipo de membrana é seletiva e consegue com suas propriedades retirar somente algumas impurezas da água e manter outras propriedades que deverão permanecer na água ou que não prejudiquem o processo.
As membranas são meios filtrantes, em geral produzidas a partir de materiais poliméricos, que apresentam formas, poros e tamanhos variados. Os poros são responsáveis por tornar as membranas úteis em suas diversas aplicações, tanto para separar partículas como para separar moléculas de diferentes massas molares. Como barreiras seletivas que atuam como uma espécie de filtro, as membranas são capazes de gerar separações em sistemas onde os filtros comuns não mostram resultados.
Atualmente a maioria das plataformas offshore de exploração são projetadas para utilizar a nanofiltração a fim de preparar a água de injeção e assim aumentar a produção de poços profundos de exploração, dando maior pressão para a extração e, consequentemente, desenvolver a produção de petróleo. Em média, são utilizados dois barris de água de injeção para cada barril de petróleo extraído. Essa água depois é removida por separador normalmente presente na própria plataforma. "A perfuração de poços em águas profundas exige o uso de água sem a presença de sulfato (presentes na água do mar), por isso é importante o uso de filtração", explica Felipe Pinto, gerente de marketing para o negócio da Dow Water & Process Solutions na América Latina.
A Dow, por meio de sua unidade de negócio DW&PS há 50 anos tem se dedicado a fornecer inovações e soluções baseadas em tecnologias para uma ampla gama de necessidades tanto industriais como residenciais.
De acordo com Felipe, a Dow oferece um amplo portfólio de aditivos químicos e conhecimento de aplicações para filtros aplicados em offshore como é o caso das membranas de nanofiltração Filmtec™ SR90 que podem ser utilizadas para purificar a água do mar, que contêm estrôncio e bário, substâncias que podem precipitar a presença de sulfato, formando incrustações que comprometem a produtividade do reservatório. Além disso, as membranas SR90 possuem uma tecnologia econômica e ambientalmente viável para a remoção dos íons de sulfato também presentes na água do mar.
"Além da solução Filmtec™ SR90 a Dow dispõe de outras tecnologias como, Aqucar™ que oferece excelentes propriedades ambientais tem alta estabilidade e é solúvel em todos os tipos de águas, incluindo as salgadas. E a tecnologia Integrapac™ que necessita de menos peças e materiais quando comparados aos modelos tradicionais, o que se traduz em custos menores, montagem mais rápida e menor área ocupada", completa o gerente de marketing da Dow.

Como funciona?
O sistema de tratamento de água para injeção é composto da unidade de remoção de sulfato e do sistema de injeção de água. De acordo com Claudia Boechat, gerente de tecnologia da unidade Process System da Aker Solutions no Brasil, empresa especializada em desenvolver sistemas e serviços seguros para clientes na indústria de petróleo e gás em todo o mundo, a unidade de remoção de sulfato é constituída de sequentes etapas de filtração. Ao entrar na unidade, a água do mar é inicialmente filtrada por filtros grossos (filtro tipo cesto), onde o material orgânico e partículas de até 80 micra são retidas. Posteriormente, a água passa por filtros finos (filtros de cartuchos), onde ocorre um polimento da água à 5 micra. Uma bomba centrífuga de alta pressão é usada para transportar a água do mar através das membranas de nanofiltração para remoção de sulfato.
"O sistema de filtração das membranas é composto de dois estágios para um maior aproveitamento da quantidade de água. Consideramos que da vazão total de água do mar na entrada nas membranas, 75% sai especificado no teor de sulfato desejado e será usado para a injeção nos poços, enquanto que 25% serão descartados para o mar. Tendo especificado a água com relação ao teor de sulfato e teor de sólidos, a água do mar é direcionada para a injeção", ressalta Claudia.
Também faz parte da unidade de remoção de sulfato, o sistema de limpeza das membranas, conhecido como CIP (cleaning in place). Esse sistema é específico para limpeza das membranas com solução básica e ácida, removendo depósitos orgânicos e inorgânicos decorrente da operação normal da unidade. Trata-se de um tanque com aquecedor embutido para preparo das soluções químicas, bomba e filtro fino para recircular a solução preparada no tanque pelas membranas.
No caso do sistema de injeção de água, ele é composto de uma coluna desaeradora, que recebe a água tratada da unidade de remoção de sulfato e reduz o teor de oxigênio dissolvido na água para valores menores que 10ppb (partes por bilhões). Após o teor de oxigênio ser reduzido, a água está pronta para a injeção nos poços. A pressão necessária é alcançada através de bomba centrífuga de múltiplos estágios que eleva a pressão até 250bar.
"Para que o sistema de tratamento de água para injeção funcione plenamente, é necessária a injeção de produtos químicos que vão prevenir crescimento biológico, incrustações, depósito de material nas membranas e equipamentos, redução do teor de oxigênio da água do mar e remoção de cloro residual. Devido a isso, uma unidade de injeção de químicos é especificada para atender às necessidades do sistema. A mesma é composta de vasos, bombas dosadoras e sistema de controle dedicado para cada produto químico", explica a gerente de tecnologia.




As membranas de nanofiltração
A principal função das membranas é garantir o teor de sulfato na água de injeção. Por ser uma membrana de nanofiltração, ela também retém partículas de até 0.001 mícron. Mas Claudia explica que a garantia do processo da unidade de remoção de sulfato é referente ao teor de sulfato de saída e não ao tamanho de partículas.
A tecnologia de remoção de sulfato é um dos principais meios de combate ao crescimento e proliferação microbiana nos poços que ocasionam a liberação de H₂S. O sulfato é o principal alimento do grupo de bactérias conhecidas como bactérias redutoras de sulfato que metabolizam sulfato da água do mar e liberam H₂S. Uma vez liberado dentro do reservatório, o H₂S é bombeado junto com o óleo para a plataforma causando sérios problemas de corrosão, além do alto risco de toxidez para meio ambiente e pessoas. Com a redução do teor de sulfato para teores menores que 100 ppm, a ação destas bactérias torna-se praticamente desprezível.
Além do combate a ação microbiológica, a outra importante função da remoção do sulfato é minimizar a formação de depósitos inorgânicos. O sulfato presente na água reage com o bário e estrôncio presentes no reservatório, formando depósitos de sulfato de bário e estrôncio que ao longo do tempo diminuem a capacidade de produção.
Ainda de acordo com a Aker, a quantidade de membranas utilizadas para produzir o volume de água necessária depende da capacidade de injeção de água desejada pelo cliente. Esse valor é definido pelo cliente de acordo com a curva de produção do campo petrolífero em questão. Uma vez o cliente tendo definido qual a necessidade de injeção para a manutenção da produção do petróleo, nós fazemos o estudo da quantidade de membranas necessárias para garantir a vazão e teor de sulfato para injeção.
"O número de membranas necessário para atender a vazão e o teor de sulfato para injeção é garantido pela Dow Water & Process Solutions. A Dow é o fabricante certificado pela Aker para o fornecimento de membranas de nanofiltração de remoção de sulfato da água do mar. A Aker Solutions entregou recentemente a unidade de remoção de sulfato da plataforma P58 da Petrobras. A capacidade de injeção da plataforma é de 60.500 m³/dia e serão necessárias 2.500 membranas de nanofiltração para garantir esta vazão e o teor de sulfato especificado pelo projeto", enfatiza Claudia.
A vida útil das membranas é de normalmente três a quatro anos em operação. Claudia conta que esse valor é dependente de como a unidade é operada, da limpeza das membranas serem feitas regularmente conforme recomendado pela Dow e pela Aker Solutions, e da qualidade dos produtos químicos utilizados.
Antes da tecnologia de remoção de sulfato ser implantada nas plataformas de exploração, a água produzida (água que vem junto do petróleo) era utilizada para injeção nos poços. Essa água era separada e tratada na plataforma antes de ser injetada. As plataformas mais antigas ainda usam água produzida como fluido de injeção. Nestes casos, determinados químicos devem ser injetados em conjunto e, um dos principais objetivos dos químicos é evitar o crescimento e proliferação de bactérias que metabolizam sulfato da água do mar e liberam H₂S.
"Na última década, a maioria das empresas de exploração de petróleo aderiu à tecnologia de remoção de sulfato e não utiliza mais a água tratada para injeção em poços de petróleo, permanecendo as unidades mais antigas, cuja a implantação de uma unidade de remoção de sulfato muitas vezes não é fisicamente viável", conta a representante da Aker.

Utilização de produtos químicos
A injeção de químicos é parte imprescindível para garantia da operação do processo de nanofiltração. Três produtos químicos são injetados: biocida, inibidor de incrustação e sequestrante de cloro e oxigênio. O biocida reduz significativamente o crescimento biológico e deve ser aplicado entre a filtração grossa (filtros cesto) e fina (filtros de cartuchos) e a montante da torre desaeradora. O inibidor de incrustação inibe o deposito de sólidos nas membranas e deve ser injetado antes das bombas centrífugas de alta pressão.
O sequestrante de cloro e de oxigênio é o mesmo produto químico. Ele é usado para remoção de cloro livre da água do mar, pois a presença deste elemento danifica irreversivelmente as membranas de nanofiltração de remoção de sulfato. No caso do oxigênio, este químico ajuda a garantia de processo da coluna desaeradora, garantindo a redução do teor de oxigênio na água do mar para o nível necessário de 10 ppb.
"A vazão necessária de produto químico injetado é uma relação de ppm/m3 de água do mar, onde a maior parte é consumida no processo e apenas um residual muito pequeno é devolvido para o mar, não havendo comprometimento ambiental na vazão de descarte", ressalta Claudia.

Outras aplicações offshore
Nas operações de produção, transporte e refino do petróleo, a água está sempre presente, seja para às necessidades industriais ou como resíduo contaminado. Consciente da necessidade atual de racionalização dos recursos hídricos, a Degrémont, empresa especializada no tratamento de água e efluente, investe continuamente em pesquisa e desenvolvimento de tecnologias para o reúso e tratamento das águas utilizadas nas etapas de extração, transporte e refino.
Devido às características particulares de utilização ou de descarte neste tipo de indústria, a empresa possui tecnologias e equipamentos de reconhecido desempenho para os diversos níveis de tratamento: físicos, físico–químicos, nível primário ou secundário, biológico e sistema de reúso de águas contaminadas, que após tratamento são recirculadas e reaproveitadas no processo industrial. Tecnologias avançadas, como a ultrafiltração, osmose reversa e reatores de membrana, além de sistemas de separação água/óleo e flotadores, são largamente empregados pela companhia.
De acordo com Delphine Durantel, engenheira de propostas da Degremont, a empresa trabalha com dois tipos de filtros offshore: o Coarse filter, um filtro grosseiro de 25 a 80 micra e o Fine Filter, Filtro Cartucho com 5 micra. "Coarse filter é autolimpante com sistema de backwash automático. No caso dos Fine Filters tem filtros cartuchos que são trocados uma vez saturados de sujeira. Quando a pressão diferencial atinge o set point máximo, um alarme dispara e os cartuchos devem ser trocados manualmente. Sua principal vantagem é a simples manutenção e operação, mas o custo da troca de cartucho ainda é muito elevado." completa Delphine.
A engenheira explica ainda que como qualquer tipo de membrana, a água de alimentação é pressurizada o suficiente para vencer a perda de carga da membrana. O rateio entre fluxo de permeado e de concentrado (recovery rate) é controlado através de mediação de vazão e válvulas de controle. O recovery rate de membranas de nanofiltração para remoção de sulfato de água do mar é de 75%, enquanto o recovery rate de membrana de osmose, por exemplo, é de 50%.
O mercado das membranas de separação possui grandes alternativas tecnológicas, cada uma delas com variações estruturais de filmes poliméricos e disposição de módulos. Esse setor vem crescendo e cada vez mais as membranas são utilizadas em indústrias e na filtração de esgoto doméstico e água potável. A queda de preços e a constatação de suas vantagens em comparação aos sistemas convencionais, também são questões responsáveis pela sua ascensão, com maior destaque nos países mais desenvolvidos. "Recentemente a Petrobras abriu o mercado de cartuchos para vários fabricantes, porém por ser um equipamento muito específico permanece caro no mercado", explica Delphine.
Outra empresa do setor é a Veolia Water Solutions & Technologies, sua característica principal é fornecer soluções para o tratamento de águas residuais e na indústria de petróleo e gás. Com várias décadas de experiência e mais de 500 referências neste mercado, sua equipe mundial desenvolve produtos (onshore e offshore) e downstream.
A mais recente inovação da empresa para o tratamento de água produzida é o sistema Opus^® II, uma tecnologia que gera alta qualidade da água à partir da água do campo petrolífero produzido, utilizando-se da tecnologia de membranas de ultrafiltração cerâmica, aquecimento quimico, troca iônica e osmose reversa.
Nesse sistema, a água de alimentação é submetida a um amaciamento químico, livre de óleo e a remoção dos sólidos é feita em um pré tratamento. Trata-se de um processo que utiliza a tecnologia de ultrafiltração CeraMem, que consiste em tanques de reação, seguido por um tanque de cristalização com a tecnologia Turbomix^®, o que facilita a precipitação de metais duros.