CT&F - Ciencia, Tecnología y Futuro

RELATIONSHIPS BETWEEN STRATIGRAPHY, DEFORMATION AND THERMAL HISTORY IN SEDIMENTARY BASINS. IMPACT OF GEODYNAMIC CONCEPTS IN PETROLEUM EXPLORATION

The natural processes that generate petroleum accumulations in a sedimentary basin require several ingredients: (1) the petroleum system elements: source, reservoir, seal and overburden rocks, which are the result of sedimentation processes in a subsiding basin; (2) petroleum traps, which in many cases are the result of deformation and (3) heat to convert suitable organic matter into petroleum. Although these different phenomena are considered independent at the scale of an oil field, at the lithosphere scale (1) thermal phenomena, (2) vertical movements of the earth surface responsible for sedimentation and erosion; and (3) tectonic deformation are not independent phenomena, they are intimately related by physical quantitative laws. These mutual inter-relationships are useful in petroleum exploration to predict one factor having knowledge of the others. Applications of these concepts can contribute to understand the tectonic history of complex areas, such as the Colombian sedimentary basins, and reduce exploration risk.

Los procesos naturales que generan acumulaciones de petróleo en una cuenca sedimentaria requieren varios ingredientes: (1) los elementos de sistema de petrolífero: roca fuente, roca almacenadora, roca sello y rocas de sobrecarga, los cuales son el resultado de procesos de sedimentación en una cuenca que subside; (2) las trampas de petróleo, la cuales en muchos casos son el resultado de deformación y (3) el calor para convertir la materia orgánica apropiada en petróleo. Aunque estos diferentes fenómenos son considerados independientes a la escala de un campo de petróleo, a la escala de la litosfera (1) los fenómenos termales, (2) los movimientos verticales de la superficie terrestre responsables de la sedimentación y la erosión; y (3) la deformación tectónica no son fenómenos independientes. Ellos están íntimamente relacionado por leyes físicas cuantitativas. Estas interrelaciones mutuas son útiles en la exploración de petróleo para predecir un factor a partir del conocimiento de los otros. La aplicación de estos conceptos puede contribuir a entender la historia tectónica de áreas complejas, tales como las cuencas sedimentarias colombianas, y así reducir el riesgo exploratorio.

PHENOL OXIDATION OF PETROL REFINERY WASTEWATER CATALYZED BY LACCASE

Laccase has been obtained through two different production systems, the first using Pleurotus ostreatus in solid state fermentation, the second one using Trametes versicolor in submerged culture. Different substrates (by products from yeast, flour and beverage industries) have been evaluated in both systems. Maximum laccase yield with Pleurotus ostreatus (25 U/ml) was obtained in a wheat bran medium. The maximum enzyme concentration level using Trametes versicolor (25 U/ml) was achieved in a submerged system containing 10% vinasse, 4,5% wheat bran and 0,2% molasses per liter of waste. Culture filtrate extracted from Pleurotus ostreatus was used to remove phenol from wastewater. The enzymatic treatment is effective over a wide pH and temperature range. The laccase treatment has been successfully used to dephenolize industrial petrol refinery wastewater. The advantage of laccase dephenolization is that this enzyme uses molecular oxygen as an oxidant.

La lacasa se ha obtenido a través de dos sistemas de producción diferentes, el primero usando Pleurotus ostreatus en fermentación en estado sólido, el segundo usando Trametes versicolor en cultivo sumergido. Se han evaluado diferentes sustratos (derivados de la levadura, harina e industrias de la bebida) en ambos sistemas. La mayor cantidad de la lacasa producida con Pleurotus ostreatus (25 U/ml) se obtuvo en un medio de salvado de trigo. El máximo nivel de concentración de la enzima usando Trametes versicolor (25 U/ml) se logró en un sistema sumergido con 10% vinaza, 4,5% salvado de trigo y 0,2% de melaza por litro. El filtrado del cultivo extraído del Pleurotus ostreatus se usó para remover el fenol de las aguas residuales. El tratamiento enzimático es eficaz para un amplio rango de pH y de temperatura. El tratamiento con la lacasa se ha utilizado para desfenolizar el agua residual de las refinerías de la industria del petróleo. La ventaja de la desfenolización lacasa es que esta enzima usa el oxígeno molecular como un oxidante.

TRENDS IN SCIENTIFIC COMPUTING APPLIED TO PETROLEUM EXPLORATION AND PRODUCTION

Current trends of computational tools in the upstream of the petroleum industry are presented herein. Several results and images obtained through commercial programs and through in-house software developments illustrate the topics discussed. They include several types of problems and programming paradigms. Emphasis is made on the future of parallel processing through the use of affordable, open systems, as the Linux system. This kind of technologies will likely make possible new research and industry applications, since quite advanced computational resources will be available to many people working in the area.

En este trabajo se presenta una perspectiva actualizada de las herramientas computacionales utilizadas en las tecnologías de las etapas de exploración y producción ("upstream") de la industria petrolera. Los tópicos discutidos se ilustran con varios resultados e imágenes, obtenidos a partir de programas de software comercial y de otros programas desarrollados internamente. Entre estos tópicos se incluyen varios tipos de problemas y paradigmas de programación. Se le da énfasis al futuro del procesamiento paralelo y a los sistema abiertos, como el sistema operacional Linux. Este tipo de sistemas harán factibles nuevas aplicaciones en la investigación y en la industria, al permitir que muchas personas y entidades vinculadas al área, tengan acceso a poderosos recursos computacionales.

PRODUCTION OF CARBON FIBERS FROM CASTILLA'S CRUDE-OIL DEASPHALTED BOTTOMS

Obtaining raw materials for the manufacturing of carbon fibers from Castilla's crude-oil deasphalted bottoms was achieved through thermal treatments carried out in inert atmosphere, at temperatures ranging from 573 K to 673 K. The deasphalted bottoms displayed isotropic characteristics. Deasphalted bottoms and thermally-treated fractions were characterized using elemental and thermo-gravimetric analyses; the softening point was also defined. The thermal treatment increases the C/H ratio, which is reflected in the softening temperatures. Thermally-treated fractions showed excellent behavior in the threading process and the obtained fibers were stabilized through air-driven oxidation. Once the fibers were stabilized, they were carbonized in inert atmosphere, at 1073 K and 1273 K. Results showed that when this raw material is processed, it has a performance rating of over 65%, and produces compact, infusible structures that may be classified as general-use carbon fibers.

La obtención de precursores para la fabricación de fibras de carbono a partir de fondos de desasfaltado de crudo de Castilla se logró mediante tratamientos térmicos en una atmósfera inerte a temperatura entre 573 K y 673 K, dichos fondos exhibieron características isotrópicas. Los fondos de desasfaltado y los fondos tratados térmicamente fueron caracterizados por análisis elemental, análisis termogravimétrico y se les determinó el punto de ablandamiento. El tratamiento térmico aumenta la relación C/H lo cual se refleja en las temperaturas de ablandamiento. Los fondos tratados térmicamente presentaron excelente comportamiento en el proceso de hilado y las fibras obtenidas fueron estabilizadas por oxidación con aire, las fibras una vez estabilizadas se carbonizaron en atmósfera inerte a 1073 K y 1273 K, encontrándose que este precursor al ser procesado tiene un rendimiento superior al 65%, dando estructuras compactas, infusibles que pueden ser clasificadas como fibras de carbono de uso general.

ANÁLISIS COMPARATIVO DE DIFERENTES MÉTODOS DE EXTRACCIÓN DE HIDROCARBUROS PRESENTES EN AGUAS RESIDUALES INDUSTRIALES

En el presente proyecto de investigación se realizó una comparación entre cuatro técnicas de extracción, a saber: la extracción líquido - líquido (LLE) continua y por lotes, extracción en fase sólida (SPE), microextracción en fase sólida (SPME) y headspace estático (S-HS), con el propósito de determinar las eficiencias de recuperación más altas y la reproducibilidad, variando tiempo y técnicas de extracción, tipo de solventes y otros parámetros. Por otra parte, se optimizaron los parámetros cromatográficos para análisis y cuantificación de hidrocarburos en aguas residuales, utilizando cromatografía de gases de alta resolución con detector de ionización en llama (HRGC-FID). La validación del método se realizó, analizando muestras reales tomadas en diferentes sitios de muestreo de la planta de tratamiento de aguas residuales de la industria del petróleo Ecopetrol - Barrancabermeja. El uso de métodos de extracción en donde se usan grandes cantidades de solvente y largos tiempos de análisis, día a día pierden vigencia. Las técnicas HS-SPME y HS estático, se presentan como una alternativa para la cuantificación de hidrocarburos, mostrando alta sensibilidad, selectividad, reproducibilidad y ausencia total de solventes.

A comparison among four extraction techniques such as: liquid - liquid (LLE) continuous and for lots, solid phase extraction (SPE), solid phase microextraction (SPME) and static headspace (S-HS) was carried out. The main purpose of this research was to determine the highest recovery efficiencies and how reproducible the tests are while varying parameters such as time, extraction technique, type of solvents and others. Chromatographic parameters were optimized in order to carry out the analyses. Hydrocarbon's quantification of residual waters was achieved by using a high-resolution gas chromatography with a gas flame ionization detector (HRGC-FID). Validation of the method was carried out by analyzing real samples taken in different sampling places of the residual waters treatment plant of Ecopetrol - Barrancabermeja. The use of extraction methods that require big solvent quantities and long time for analysis are losing validity day by day. Techniques such as the HS-SPME and static HS, are offered as alternatives for quantifying hydrocarbons. They show total lack of solvents, high sensibility, selectivity and the techniques are reproducible. Solid phase microextration (SPME) and static headspace (static HS) techniques were chosen as the extraction techniques to validate the method in real samples. Both techniques showed similar results for the determination of total hydrocarbons (in the gasoline range).

CONTINUOS TREATMENT OF OILY SLUDGE AT COLOMBIAN REFINERIES

The Colombian Petroleum Institute -ICP-, the research and development branch of Ecopetrol has developed a unique technological package used to treat oily sludge in a continuous way. The sludge comes from a refinery with a 220 000 barrels of crude per day load, located in the Middle Madgalena River Valley in Colombia. The Technological Package allows for :a) the recovery of the hydrocarbon contained in oily wastes (up to 50%); b) the elimination of the oil contained in solid using a biodegradation process; and, c) the availability of an economically and technically feasible solution to handle oily sludge generated in the refinery. The oily wastes treated in this process come from maintenance of refinery's equipment and also from the physical-chemical separation process at the industrial waste water treatment plant. Oily sludge is a complex system where light and heavy oils, contaminated water and contaminated solids coexist in the form of direct, inverse and multiple emulsions. The comprehensive technological package allows the treatment of oily sludge in a cost-effective way. ICP's Technological package developed includes technologies combining mechanical, thermal, chemical and electrostatic dehydration techniques, and stimulated and intensive bioremediation to decontamination of solids saturated with residual oil. This technological package brings a solution to the old environmental problem caused by the inappropriate final disposal of oily wastes such as storage in ponds, marshes and open pits. Nowadays oily wastes generated are treated in a continuous process that is environmentally friendly and economically profitable.

El Instituto Colombiano del Petróleo -ICP-, centro de investigación y desarrollo de Ecopetrol, ha desarrollado un paquete tecnológico único, para tratar lodos aceitosos de una manera continua. El lodo proviene de una refinería que procesa 220 000 barriles de crudo por día, y se encuentra localizada en el Valle del Magdalena Medio, en Colombia. El paquete tecnológico permite: a) la recuperación de hidrocarburo contenido en los residuos aceitosos (hasta un 50%); b) la eliminación del aceite contenido en los sólidos, mediante el uso de un proceso de biodegradación; y, c) la disponibilidad una solución económica y técnicamente factible para manejar lodos aceitosos generados en la refinería. Los residuos aceitosos tratados en este proceso provienen del mantenimiento de equipos de la refinería y del proceso de separación físico-química en la planta de tratamiento de aguas residuales industriales. El lodo aceitoso es un sistema complejo donde aceites livianos y pesados, agua contaminada y sólidos contaminados coexisten en forma de emulsiones directas, inversas y múltiples. El paquete tecnológico completo permite el tratamiento de este tipo de lodos de una manera rentable. Este paquete tecnológico ha permitido solucionar antiguos problemas ambientales, resultantes de la inapro-piada disposición final de residuos aceitosos tales como almacenamientos en ciénagas, diques y piscinas a cielo abierto. Hoy día, los desechos aceitosos generados son tratados en un proceso continuo, ambiental-mente amigable y económicamente rentable.

ESTUDIO DE LA MEZCLA DE GASOLINA CON 10% DE ETANOL ANHIDRO. EVALUACIÓN DE PROPIEDADES FISICOQUÍMICAS

El presente trabajo muestra los resultados de la evaluación de las mezclas de las gasolinas extra y regular producidas en la Refinería de Barrancabermeja, con 10% en volumen de etanol anhidro y concentraciones alrededor de este punto (5% y 15% en volumen), que permiten determinar con mayor precisión las características de la mezcla deseada. Se estudiaron principalmente las propiedades Presión de Vapor Reid (RVP) e Indice Antidetonante (IAD), con el fin de determinar la variación de estas propiedades cuando se le adiciona 5%, 10% y 15% en volumen de etanol anhidro a los combustibles base. Con base en estos resultados, se determinó el RVP e IAD de las gasolinas base para que al mezclarlas con 10% en volumen de etanol se logren las especificaciones de calidad que las gasolinas colombianas deberán cumplir a partir de año 2005. Para el ajuste del RVP del combustible base, se diseñó y construyó una despojadora de vapores livianos por arrastre con nitrógeno, y para el ajuste del IAD del combustible base se realizaron mezclas con nafta virgen, para IAD más bajos, y con nafta craqueada y alquilato de alto octano, para IAD más altos. Después de determinar las especificaciones de los combustibles base, para que al mezclarlo con 10% en volumen de etanol se cumpla con las regulaciones de calidad de las gasolinas comerciales colombianas para el 2005, se realizaron pruebas de tolerancia de las mezclas al agua para el rango entre 273 K a 313 K.

This study includes the assessment results for blends of premium and regular gasoline produced in Barrancabermeja's Refinery with 10vol% anhydrous ethanol and concentrations within this range (from 5vol% to 15vol%). The results may allow for a more precise definition of the characteristics for the desired blend. The survey basically focused on the Reid Vapor Pressure (RVP) and the antiknock index (RON+MON/2) properties, in order to determine the variations within these properties when 5vol%, 10vol%, and 15vol% anhydrous ethanol is added to the base fuels. Based on these results, the RVP and antiknock index were determined for the base fuels, blended with 10vol% ethanol, to comply with the quality standards required for Colombian fuels in year 2005. For the adjustment of the base fuel's RVP, a light-vapors, nitrogen-dragging stripper was designed and built. As for the adjustment of the base fuel's antiknock index, blends with straight naphta were made for lower index values, while blends with cracked naphta and high octane alkylate were made for higher index values. Having determined the specifications for base fuels, as required to blend them with 10vol% ethanol and meet the quality standards for Colombian gasoline in year 2005, water tolerance for the blends was estimated at temperature ranges of 273 K to 313 K.

ORGANIC GEOCHEMICAL EVALUATION OF THE PATÍA BASIN, COLOMBIA: ASSESSING THE PETROLEUM SYSTEM OF A FRONTIER AREA

The Patia basin is an exploration frontier area of approximately 5000 km² located in southwestern Colombia. Seventy samples from 6 outcrop sections and one oil sample from the Matacea Creek seep were submitted for geochemical analyses. These analyses provide a basis to better assess the petroleum potential of this frontier area. Organic carbon content and Rock-Eval pyrolysis indicate that the Chapungo Sequence of Late Cretaceous age and the Chimborazo Formation of Eocene age have the higher petroleum source potential among the studied units. Petrographic evidence suggests that the heat effect of igneous intrusions account for the high maturity of some of the sampled intervals. Bulk and molecular parameters indicate that the oil sample of the Matacea Creek seep has been biodegraded, but there is also evidence of a recharge of the oil to the surface. Biomarker data indicates that the Chimborazo Formation is the unit that displays the best correlation with the Matacea Creek oil. The lack of a perfect match between the oil seep and the Chimborazo extracts might be the result of biodegradation or the existence of more proximal facies of the Chimborazo Formation, not sampled in this survey. The Matacea Creek oil seep is proof of a petroleum system.

La cuenca de Patía es un área de frontera exploratoria con 5000 km² localizada en la porción suroeste de Colombia. Setenta muestras de roca de afloramientos y una muestra de crudo del rezumadero de la Quebrada Matacea fueron sometidas a análisis geoquímicos. Estos análisis permitieron una mejor evaluación del potencial petrolífero de esta área de frontera. Análisis de carbono orgánico y pirólisis indican que la Secuencia Chapungo de edad Cretáceo tardío y la Formación Chimborazo de edad Eoceno poseen los mejores potenciales para generación de petróleo entre las muestras estudiadas. Evidencias petrográficas sugieren que el efecto térmico de intrusiones ígneas es responsable por el alto grado de madurez de algunos de los intervalos muestreados. Parámetros globales y moleculares indican que la muestra de crudo del rezumadero de la Quebrada Matacea ha sido biodegradada, pero también hay evidencia de una recarga de crudo en la superficie. Datos de biomarcadores indican que la Formación Chimborazo es la unidad que presenta la mejor correlación con el crudo de la Quebrada Matacea. La falta de una correlación perfecta entre el crudo y los extractos de Chimborazo puede deberse a la biodegradación o a la existencia de facies más proximales de la Formación Chimborazo, no muestreadas en este estudio. El rezumadero de la Quebrada Matacea es una prueba de la existencia de un sistema petrolífero en esta cuenca y que la Formación Chimborazo es la roca madre más probable.

AQUEOUS - ORGANIC PHASES SEPARATION BY MEMBRANE REACTORS IN BIODESULFURIZATION REACTIONS

This work presents a membrane bioreactor prototype used to separate emulsion phases formed in the biodesulfurization reaction. Hydrophobic membranes used for the construction of the prototype allow the separation of the organic/watery phases. The separation unit resembles a tube and carcass heat exchanger. By feeding the emulsion through the housing and due to the pressure gradient pushed on the membrane, the organic phase pass through and allow to obtain an organic phase free of cells and water. Several organic phase/watery phase ratios and many cellular concentrations were evaluated. Results indicate that is possible to separate the phases by manipulating the fluid pressure within the bioreactor. This is possible even for cellular concentrations of the order of 7 g/l. The system can also be used as a reaction unit. The biological conversion was evaluated by verifying the presence of 2-HBP, one of the metabolites of the path 4S in the biodesulfurization reaction. This bioreactor configuration has not been explored before for the biodesulfurization process and therefore it represents an innovation in this research area.

En este trabajo se presenta un prototipo de biorreactor de membranas para la separación de las fases de la emulsión formada en la reacción de biodesulfurización. Las membranas hidrofóbicas utilizadas para la construcción del prototipo permiten la separación de las fases acuosa orgánica. La unidad de separación se asemeja a un intercambiador de tubo y coraza. Alimentando la emulsión por la carcasa y gracias al gradiente de presión que se ejerce sobre la membrana, la fase orgánica permea la membrana permitiendo la obtención de la fase orgánica libre de células y agua. Se evaluaron diferentes relaciones fase orgánica/ fase acuosa y diferentes concentraciones celulares. Los resultados indican que es posible separar las fases manipulando la presión del fluido al interior del biorreactor incluso a concentraciones celulares del orden de 7 g/l . El sistema puede ser utilizado también como unidad de reacción, la conversión biológica se evaluó verificando la presencia de 2-HBP, uno de los metabolitos de la ruta 4S en la reacción de Biodesulfurización. Esta configuración de biorreactor no ha sido explorada antes para el proceso de biodesulfurización y por tanto representa una innovación en el área.

INFLUENCE OF HEAVY PARAFFINS ON CERTAIN ASPHALTIC PROPERTIES

The influence that saturated compound fractions -and, specifically, heavy paraffins- have on the chemical composition of asphalts and their asphaltic properties was assessed through the use of a complex asphalt produced in Barrancabermeja (CIB). Phenomena caused by the aforementioned substances on ductility, penetration, softening point, rheological curve, humidity susceptibility (TSR), and deformation resistance (DSR) of CIB asphalt were identified. The identified effects were explained in light of the changes in the asphalt's colloidal system.

La influencia de la fracción de los saturados y, precisamente, parafinas pesadas, en la composición química de los asfaltos, sobre propiedades asfálticas fue estudiada utilizando el asfalto complejo de Barrancabermeja (CIB). Fueron aclarados los fenómenos que provocan las sustancias mencionadas sobre la ductilidad, penetración, punto de ablandamiento, la curva reológica, susceptibilidad a la humedad (TSR) y la resistencia a la deformación (DSR) del asfalto CIB. Los efectos observados fueron explicados desde el punto de vista de los cambios en el sistema coloidal del asfalto.

RHEOLOGICAL CHARACTERIZATION OF AGED ASPHALTS

The present work shows the rheological properties of the three Colombian asphalts produced in the refineries at Barrancabermeja, Cartagena and Apiay, exposed to the open air during 18 months using a specially designed testing bank. Rheological behavior was evaluated using the new specifications of SHRP technology in the Brookfield and DSR rheometers to determine viscosity, Shear Stress, Shear Rate, Dynamic Share Modulus and other related variables. The measurements were made using different temperatures and load times.

En el presente trabajo se estudian las propiedades reológicas de los tres tipos de asfaltos industriales producidos en Colombia, en las refinerías de Barrancabermeja, Cartagena y Apiay, después del envejecimiento durante 18 meses en un banco de pruebas al aire libre especialmente diseñado. La evaluación del comportamiento reológico se realizó a través de ensayos basados en las nuevas especificaciones de la tecnología SHRP en los reómetros Brookfield y DSR para determinar características tales como: viscosidad, esfuerzo de corte, susceptibilidad térmica, velocidad de deformación y módulo de corte dinámico, a diferentes temperaturas y tiempos de carga.