RADIACIONES IONIZANTES EN LA INDUSTRIA PETROLERA Gustavo Molina, Jorge Vizuet G., Arturo Ángeles C. Marco A. Ruiz C. Instituto Nacional de Investigaciones Nucleares gm@nuclear.inin.mx,jvg@nuclear.inin.mx,aac@nuclear.inin.mx,marc@nuclear.i nin.mx Copyright 2005, CIPM. Este artículo fue preparado para su presentación en el cuarto E-Exitep 2005, del 20 al 23 de febrero de 2005 en Veracruz, Ver., México. El material presentado no refleja necesariamente la opinión del CIPM, su mesa directiva o sus colegiados. El artículo fue seleccionado por un comité técnico con base en un resumen. El contenido total no ha sido revisado por el comité editorial del CIPM. RESUMEN. En este trabajo se describen los usos de las radiaciones y los materiales radiactivos en la industria petrolera. Estas inician con los estudios geofísicos para medir propiedades de las formaciones petrolíferas con fuentes de radiación gamma y de neutrones, la interconexión entre pozos y las mediciones de flujo multifásico, Se describen las técnicas de diagnóstico de procesos con trazadores radiactivos y fuentes selladas. También se describen los medidores nucleónicos de control, para medir niveles de una o más fases en tanques, en la eliminación de descargas al ambiente y en aplicaciones de análisis elemental. Se describen los desarrollos que ha logrado el ININ en aplicaciones con trazadores radiactivos y usos de fuentes selladas, tanto para diagnóstico de procesos como en sistemas de control nucleónico. ANTECEDENTES . Las primeras aplicaciones industriales de las radiaciones se hicieron en la década de los 50, una vez que la instrumentación nuclear estuvo suficientemente desarrollada, así como la disponibilidad de fuentes radiactivas obtenidas en reactores nucleares y en aceleradores de partículas. Los sistemas típicos incluían detectores de nivel en tanques y de espesores para productos laminados como triplay, acero, papel, etc. APLICACIONES CONSOLIDADAS Exploración y Producción. a) Se usan fuentes radiactivas o generadores de neutrones en la caracterización geofísica de los estratos productores de hidrocarburos(1,2,3,4,5,8,11). a) Otra aplicación, también de uso muy extendido entre las compañías que prestan servicios en los yacimientos, es la medición de flujo vertical en los pozos utilizando sondas cargadas con una pequeña cantidad de yodo-131(1,15). c) Uso de radiotrazadores para medir la interconexión entre pozos(8). d) Control de calidad de procesos de fracturación hidráulica mediante la marcación y de simulación de granos de arena de fracturación por medio de alúminas(1). e) Medición de flujos multifásicos en plataformas marinas(12). Refinación. Los usos de las radiaciones ionizantes se describen a continuación. a) Radiografía industrial para detectar defectos en soldadura de tubería o recipientes nuevos. b) Perfilaje gamma de torres de destilación o absorción para diagnosticar su funcionamiento(1,15). c) Perfilaje de retrodispersión de neutrones para medir interfases de líquidos y lodo en tanques de almacenamiento de varias fases(1,15). d) Detección de fugas en tubería subterránea y en intercambiadores de calor(1). e) Mediciones de caudal en tuberías(1,15). f) Distribución de tiempo de residencia. Con esta técnica que usa radiotrazadores se puede diagnósticar el funcionamiento de cualquier componente de proceso como reactores químicos, clarificadores, lagunas de oxidación, etc. Consiste en inyectar un pulso de trazador y analizar la función de salida para medir el tiempo de residencia, volúmenes muertos, cortos circuitos retroflujos, etc(1,7,9). Con el paso de los años, el uso de radiaciones ionizantes se ha extendido a casi todas las actividades de la industria. Un resumen de estas se describe a continuación. 1 Distribución. Las principales aplicaciones en este campo son: a) Radiografía industrial para detectar defectos en soldadura de tubería o recipientes nuevos. b) Perfilaje de retrodispersión de neutrones para medir interfases de líquidos y lodo en tanques de almacenamiento de varias fases(1,15). d) Detección de fugas en tubería subterránea y en intercambiadores de calor(1,15). e) Mediciones de caudal en tuberías(1). TENDENCIAS La aparición de nuevas tecnologías informáticas, la miniaturización de componentes electrónicos y de nuevos materiales detectores de radiación, está modificando las aplicaciones. Las tecnologías que se estima seguirán creciendo y que hemos identificado son: a) Integración a las torres de destilación y absorción del equipo de perfilaje gamma para diagnosticar su funcionamiento en línea. Esto mismo puede ser aplicable a tanques de almacenamiento al integrarles medidores de retrodispersión de neutrones y para algunos componentes, tomógrafos para el diagnóstico(16). b) Uso más extenso de sistemas inalámbricos de transferencia de datos y mediante internet. c) Uso de técnicas de análisis en línea como fluorescencia de rayos X. Análisis por activación de neutrones de gammas inmediatas (PGNAA). d) Uso de aceleradores de partículas para el tratamiento de gases de chimenea, para la degradación de sustancias peligrosas y de aguas y lodos residuales. e) Pruebas de producción de un pozo recién perforado para determinar el caudal de petróleo emergente y de los estratos que contribuyen a la producción en perforaciones horizontales o bifurcadas; la técnica implica el uso de radiotrazadores en una forma química soluble en petróleo. f) Un mayor uso de sistemas de medición y control nucleónico para medir flujos multifásicos en toda la industria, al ir estos bajando de precio(12). g) Mayor aceptación de las técnicas al reducirse la actividad de las fuentes radiactivas por la mejora de los detectores de radiación como BGO, LSO, diodos PIN, Prelude, etc(17). ACTIVIDADES EN EL ININ El ININ fue pionero en el país de algunas de las aplicaciones en el país en la década de los 60 y 70, que se integró a la industria y que de disolvió a mediados de la década de los 80. En 1996 se inició un pequeño grupo para monitoreo tecnológico y posibles aplicaciones de trazadores. Las técnicas que se han probado o que se realizan cotidianamente son: • • • • • • Medición de masa de mercurio. Medición de caudales en hidroeléctricas Detección de fugas en ductos subterraneos Determinación de tiempo de residencia Interfases por retrodispersión de neutrones Perfilaje gamma de torres de destilación El interés del grupo es la ampliación de los servicios y el desarrollo de nuevas técnicas, para lo cual se construyó un prototipo de PGNAA con sonda de NaI, Se construyó un detector de portal a la entrada del instituto controlado por internet con aplicaciones tanto industriales como en el control de material radiactivo. Se están desarrollando aplicaciones con diodos PIN como detectores. Se tiene interés en el desarrollo de medidores multifásicos. 2 CONCLUSIONES de otro modo seguiremos dependiendo tecnológicamente de proveedores externos. Las técnicas con radiaciones ionizantes aplicadas a la industria petrolera han permitido la producción eficiente y segura de hidrocarburos. La tendencia nos indica que estas aplicaciones seguirán extendiéndose, con técnicas que alguna vez fueron de uso médico como la tomografía axial computada y nuevos instrumentos permanentemente instalados, como perfiladores gamma y de neutrones para torres de destilación. Por otro lado, el uso de aceleradores de partículas más económicos permitirá el uso de analizadores en línea de PGNAA, de análisis por activación y para el tratamiento de efluentes. Actualmente la REFERENCIAS. transmisión de datos y el control de procesos pueden hacerse tanto de manera inalámbrica como por internet, por lo que es de esperarse que la tendencia continúe. Es conveniente que PEMEX desarrolle conjuntamente con compañías locales y con institutos de investigación estas aplicaciones, 1. IAEA (1990) Guidebook on radioisotope tracers in industry, Technical Report Series n° 316. 2. Blet, V., Berne, Ph., Tola, F., Vitart, X., Chaussy, C., Recent developments in radioactive tracers methodology, Applied Radiation and Isotopes, 51 (1999), 615-624. 3. Zitny, R., Thyn, J. Residence Time Distribution Software Analysis, User's Manual, IAEA Computer Manual Series, Vienna (1996). 4. Charlton, J. S., “Radioisotope Techniques for Problem-Solving in Industrial Process Plants”, Leonard Hill, Glasgow and London, 1986. 5. Sevel T., Pedersen N.H., Genders S. “Tracing of Oil, Gas, and Water in the Oil and Gas Industry”, 7th ECNDT Conference, 26-29 May (1998) 3 6. G. Chmielewski, A.Owczarczyk, J. Palige; Radiotracer investigations of industrial wastewater equalizer-clarifiers, Nukleonika, Vol. 43, No. 2, 1998, p 185-194 7. Niemi, J.A. and Zenger, K.; Thereska, J.; Griffith Martinez, J. “Tracer testing of processes under variable flow and volume”, 1998, Nukleonika Vol. 43, No.1, p. 73-94, 1998, Poland 8.Zemel, B.: “Tracers in the Oil Field” (book), Developments in Petroleum Science, 43, Elsevier Science, Amsterdam, 1995 9. IAEA Computer Manual Series No.11, Residence Time Distribution Software Analysis, October1996 10. IAEA-TECDOC-1023, Radiation technology for conservation of the environment. Proceedings of an International Symposium, Zakopane, Poland, 812 September 1997, September 1998 11. IAEA Technical Report Series No. 393, Nuclear Geophysics and its applications, October 1999 12. TECDOC-1142, Emerging new applications of nucleonic control systems in industry, March 2000 13. 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