En la extracción, manejo y transporte de petróleo es importante la reducción de su viscosidad y el conocimiento que en general se tenga de su comportamiento reológico. El petróleo aparece en los yacimientos con diferentes contenidos de agua y en las operaciones de extracción y manejo esta puede ser incrementándose, resultando común la presencia de emulsiones acuosas. Para la reducción de la viscosidad se puede recurrir al control del tipo de emulsión presente, para lo cual, entre los diferentes métodos empleados algunos autores reportan la aplicación de campo magnético. ^1-5

El control de emulsiones se basa en el conocimiento, lo más profundo posible, de sus componentes básicos e interrelaciones: la fase oleosa, la fase acuosa y el o los emulsionantes. ⁶ En algunos casos para que la emulsión tenga propiedades funcionales aceptables es fundamental utilizar algún tipo de agente estabilizante. La estabilidad física de una emulsión está condicionada por el resultado del balance complejo de fuerzas de atracción y repulsión entre las gotas de fase dispersa, el cual está condicionado por las condiciones fisicoquímicas del medio continuo. ^6-8

Las principales emulsiones que se forman en el petróleo son el tipo (aceite en agua (O/W), agua en aceite (W/O) o múltiple). Entre los parámetros más importantes para su caracterización se encuentran el tamaño de gota, la estabilidad, la viscosidad y su comportamiento reológico; ya que en muchos casos las emulsiones no son fluidos newtonianos. ^9,10

El tipo de emulsiones que se forman con petróleos depende de la naturaleza del crudo o si se trata de fracciones refinadas del mismo, de las condiciones operacionales; siendo la clave el tipo de agente emulsionante utilizado. ^10,11

Debido a la importancia de la viscosidad en los procesos de manejo del petróleo, fundamentalmente porque dificulta la transportación y los procesos de mezclado y a pesar de que se evaluaron todas las variables involucradas en el proceso, el análisis se centra en los resultados del comportamiento reológico de las emulsiones preparadas.

Una técnica que puede emplearse para tales fines es el tratamiento magnético, debido a que está demostrado que en el agua pueden producir cambios en sus propiedades físico-químicas. ^12-13 Se reportan variaciones en los valores del pH y conductividad eléctrica, ligeramente mayores; la disminución de la tensión superficial y la viscosidad; así como el incremento de la solubilidad de diferentes sales, principalmente de carbonato cálcico.

La idea de considerar al petróleo y su estructura de residuos pesados como un sistema disperso con la fase dispersarte de asfaltenos y el medio de dispersión de resinas y aceites (maltenos), es considerada por algunos autores. ³ La consideración integrada de las interacciones físicas y químicas de los componentes del petróleo cambiando su estructura abren nuevas posibilidades para el estudio de su composición y comportamiento.

La estructura del aceite y los residuos pesados puede ser representada en forma de estructura de “cluster” en la que las partículas dispersas se organizan en una formación centralmente simétrica con un núcleo denso conteniendo moléculas paramagnéticas (parafinas de alto peso molecular o condensado de aromáticos heterocíclicos o compuestos órgano metálicos). Alrededor de este, los hidrocarburos aromáticos, nafténicos y parafínicos agrupados, en correspondencia con el valor de los pares potenciales de interacción, con gradual decrecimiento en la interacción molecular desde el centro hacia la superficie. ¹⁴

Los tamaños de las partículas dispersas difieren en dependencia de la naturaleza del sistema disperso, pudiendo tener los residuos pesados más de cientos de nanómetros. Durante los últimos años el efecto magnético y las reacciones de radicales han sido objeto de estudio de las ciencias químicas; existiendo una fuerte evidencia del efecto del campo magnético en la cinética de las reacciones.¹⁵

Los estudios del efecto del campo magnético sobre los sistemas dispersos, para identificar el mecanismo de su influencia son limitados. Existen diferentes teorías cualitativas que forman la base del mecanismo de acción de las fuerzas magnéticas sobre estos sistemas, entre las que destacan: la coloidal, iónica y la del agua. En la teoría coloidal se plantea que las fuerzas magnéticas actúan sobre las partículas coloidales -para-, -dia-, y ferromagnéticas. En la teoría iónica el papel principal es jugado por los iones presentes en el agua; y en la del agua las fuerzas magnéticas actúan propiamente sobre sus moléculas y la estructura cristalina de las sales disueltas en ella. ³ Las opiniones en este sentido divergen, incluso no se ha podido precisar sobre qué actúa el campo magnético, sobre el agua o sobre las impurezas contenidas en esta. Hasta el momento, el mecanismo que mejor explica el efecto del tratamiento magnético al agua, en función de la reducción de las incrustaciones, es el relacionado con el cambio de los cristales de calcita a la forma de aragonita, con lo cual disminuye la dureza del agua y la cantidad de CaCO_3.¹

Según Kabeel ², el campo magnético ha sido utilizado para reducir la viscosidad del crudo y en los procesos de separación del agua. Esta tecnología es ventajosa, ya que no contamina el medio ambiente y los equipos utilizados son de fácil instalación. Sobre esta base es posible afirmar que la explicación científica de los resultados es limitada, y su mecanismo de acción insuficientemente explicado, debido a la complejidad de las transformaciones estructurales y energéticas en las sustancias con diferentes estructuras a micro y macroniveles. ³ Por ello, la comunidad científica internacional se centra en investigaciones sobre este fenómeno. ^16,17

El presente trabajo tiene como finalidad estudiar el efecto del tratamiento magnético en muestras de petróleo y sus emulsiones, empleando un agente emulsionante obtenido a partir de productos de la pirólisis, con el fin de determinar su influencia sobre la viscosidad y evaluar las posibilidades de aplicación la tecnología en procesos de tratamiento de petróleo crudo.

Para el desarrollo de este trabajo se empleó una muestra de petróleo C-1, cuyas características se exponen en la tabla 1.

Tabla 1

Para la preparación de las emulsiones se empleó el emulgente P, agente emulsionante, obtenido de productos de la pirolisis de materiales lignocelulósicos: ácidos piroleñosos y alquitranes neutralizados con hidróxido de sodio y alcohol etílico. ¹⁸

Para la aplicación del campo magnético se empleó la metodología propuesta por Campos y colaboradores¹⁹, que consta de una instalación experimental compuesta por un magnetizador a imanes permanentes, construido y caracterizado en el Centro Nacional de Electromagnetismo Aplicado, con una inducción magnética de 0,15 T.

La estrategia experimental utilizada para la preparación de las emulsiones fue la siguiente:

Estudio de la velocidad de agitación en la preparación de emulsiones, utilizando agente emulsionante:

1. Se realizaron ensayos variando la velocidad de agitación en valores de 600, 1200 y 2000 rpm. Se significaron por la letra (E) las emulsiones sin agente emulsionante y por las siglas E-P, las correspondientes a las emulsiones preparadas con emulgente P. Todas las emulsiones para los restantes estudios se realizaron empleando una velocidad de rotación del agitador rotatorio de 600 rpm y el tiempo de preparación de la emulsión de 15 min.

Estudio del efecto del incremento de la concentración de agua en las emulsiones:

Se prepararon emulsiones con diferentes concentraciones de agua: 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40 y 50 %.

Como se puede apreciar, a mayor velocidad de agitación aumenta la viscosidad de las emulsiones preparadas. En general, al analizar los resultados se aprecia que, independientemente del uso del emulgente, el comportamiento reológico de las emulsiones preparadas es similar. Sin embargo, para cada uno de los casos estudiados, la viscosidad de las mismas aumenta con el incremento de la velocidad de agitación y, por consiguiente, la dispersión del agua dentro del petróleo y la estabilidad de la emulsión. Este criterio coincide con lo referido por Salager en 1999. ⁹

En resumen, el petróleo C-1 forma emulsiones W/O. Con adición de agua sin emulgente presentan viscosidades muy similares a concentraciones menores del 35 % de agua. En la figura 2 se observa la existencia de dos pendientes entre 30 y 60 s^{- 1}, lo que da la idea de que estas emulsiones manifiestan un comportamiento similar al de los fluidos no newtonianos (dilatantes).

Para las concentraciones de agua entre 20 y 25 %, cuando se emplea emulgente P, se mantiene un comportamiento dilatante y para las restantes se transforma en pseudoplástico. Ver (fig.3).

El tratamiento magnético, tanto de la emulsión como de sus componentes, introduce variaciones en su comportamiento reológico, lo que queda evidenciado en las figuras 4, 5 y 6. Sin embargo, resulta importante determinar las particularidades que se presentan en cada uno de los casos.

Así, el tratamiento magnético a la emulsión sin emulgente manifiesta un fuerte incremento en la viscosidad y comportamiento viscoelástico a altas concentraciones de agua, mientras que a bajas concentraciones tiende a un comportamiento dilatante. Ver (fig.4).

Este comportamiento varía si se trata magnéticamente el agua antes de formar la emulsión (fig. 5), manifestándose un comportamiento típico de los fluidos pseudoplástico a elevadas concentraciones de agua.

No obstante, se puede comprobar que la viscosidad de las emulsiones se reduce al ser tratadas con campo magnético y que el empleo de agua tratada magnéticamente contribuye también a reducir la viscosidad entre 10 y 35 % de agua, si se analizan los resultados a 161,2 s^-1; valor que se encuentra en el rango de gradiente de velocidad producido en los pozos de extracción de petróleo por el sistema de bombeo que se emplea.

Todo lo anterior se conjuga perfectamente con las teorías de actuación del campo magnético y, en particular, con la teoría del agua, observándose que esta es el factor más influyente.

Finalmente, es importante destacar que alrededor del 80 % de los crudos explotados se encuentran en estado emulsionado en todo el mundo. La formación de estas emulsiones es un problema que puede surgir durante la recuperación, tratamiento, transporte y refinación de petróleo. Estas emulsiones se forman cuando el petróleo y el agua empleada en el proceso de producción se ponen en contacto debido al alto cizallamiento, o cuando se inyectan mezclas de vapor de agua en el pozo, o en las instalaciones de superficie. ^17;18 El conocimiento del comportamiento de dichas emulsiones y el efecto, que sobre ellas tiene el tratamiento magnético puede ser de utilidad para contribuir a mejorar las condiciones de operación en algunas etapas que lo requieran.

En las condiciones estudiadas se comprueba que un incremento de la fase interna de la emulsión conlleva a incrementar su viscosidad.

La adición del agente emulsionante P, produce emulsiones con menor viscosidad y comportamiento reológico pseudoplástico a los mayores porcientos de agua utilizados.

El tratamiento magnético empleado contribuye a reducir la viscosidad de las emulsiones, al igual que el empleo de agua tratada magnéticamente.

Estos resultados permiten evaluar el uso de la tecnología magnética en algunas etapas de tratamiento de crudos, donde se requiera disminuir la viscosidad para mejorar las condiciones de bombeo y manejo.