Brevet FR2216518A1 — publié le 19740830

La présente invention concerne les liquides qui ont des pertes reduites par frottement lorsqu'ils circulent dans les conduits. Plus précisément, elle concerne de te liquides dont la dégradation au cisaillement est réduite. L'énergie doit castre transmise à un fluide de manière qu'il soit déplacé d'un emplacement à un autre dans une conduite ou une tuyauterie. Lors du pompage drun liquide dans une conduite, une pression existe du côté positif ou de refoulement de la pompe. a pression dans le conduit tout près de ltextrémité de refoulement de la pompe est supérieure à la pression dans le conduit, loin de la pompe. Cette différence de pression, parfois appelée perte de charge, perte par frottement ou traînée, s'accentue en général lorsque la vitesse du liquide augmente.Dans de nombreuses opérations industrielles, dans lesquelles un grand volume de liquide se déplace rapidement, par exempla lors de la fracturation hydraulique des formations souterraines, dans lesquelles pénètrent un liquide, et dans le transport des liquides à grandes distances par des oléoducs, une grande quantité d'énergie est dépensée pour.le déplacement du liquide. Si la perte de charge peut être réduite, des volumes accrus de liquide peuvent être déplacés pour une même capacité de pompe, ou la pression et/ou lténergie nécessaires au déplacement d'un volume donné de liquide sont réduits. Des additifs qui réduisent les pertes par frottement ou la traînée des liquides circulant dans les canalisations sont connus.Dans le cas des liquides à base aqueuse, de tels additifs sont des gommes te' les que la gomme guar, lthydroxy- éthylcellulose, l'oxyde de polyéthylène, le-polyacrylsìide, hydrolysé ou non et les copolymères d'acrylamide et de méthylène bisacrylamide. Dans le cas des liquides à base huileuse, de tels additifs sont des polymères tels que le polyisobutène et les copolymères de l'èthylène et d'une alpha-oléfine de poids moléculaire élevé. En général, ces additifs sont ajoutés dans le liquide de base sous forme de solides particulaires très fins qui se dis souvent ou se dispersent facilement dans le liquide. Dars une variante, les additifs sont d'abords ajoutés dans ure solvant et forment une solution concentrée d'additifs qui se dissout facilement dans le liquide de base. De nombreux additifs destins à réduire les pertes par frottement fonctionnent bien tant qu'ils ne sont pas soumis à un cisaillement excessif. Le simple passage du liquide dans un conduit, méme avec un débit élevé, c'est-à-dire que le fluide est en écoulement turbulent, n'est pas un inconvénient particulièrement important. Cependant, lorsque les liquides circulent dans les conduits, il faut qu'un dispositif déplace ces liquides. Ainsi, les liquides passent dans des pompes. Si le conduit est allongé, par exemple s'il s'agit d'un oléoduc, le liquide peut passer dans plusieurs pompes entre son origine et sa destination. On constate d'expérience que les additifs de réduction des pertes par frottement ont tendance à se dégrader, c'est-à-dire à perdre en partie leur efficacité lorsqu'ils sont exposés à des contraintes de cisaillement, par exemple lors du passage dans une pompe. La cause de cette dégradation n'est pas parfaitement claire, mais on pense- que les additifs sont disposés dans le liquide sous forme d'agrégats à chaîne longue qui sont brisés par l'action de cisaillement d'une pompe. Cet additif altéré a en général une efficacité réduite et diminue les pertes de -frottement moins que la matière d'origine. L'invention concerne une composition liquide ayant une perte réduite par frottement, lorsqu'elle circule dans les conduits, la composition ayant une très faible dégradation par cisaillement. Une telle composition peut circuler dans une pompe sars subir une dégradation excessive par cisaillement. Un tel liquide conserve une partie notable de ses propriétés de faible perte par frottement lorsqu'il passe dans une pompe. Un tel li guide peut être transporté dans des olécducs. Plus précisément, l'invention concerne un liquide ayant de faibles pertes par frottement et qui conserve ses propriétés lorsqu'il est soumis à des forces de cisaillement, ce liquide comprenant une base aqueuse ou huileuse et un additif convena- ble de réduction des pertes par frottement, cet additif était présent au moins en partie sous forme granulaire ou en morceaux. tes liquides transportés ou transmis par le conduit peu- vent être à base d'eau ou d'huile. Des exemples de liquides à base aqueuse sont liteau, la saumure, les gels, les solutions acides et analogues.Des exemples de liquides à base huileuse sont les liquides oléagineux ou pétrolifères, ainsi que des émul sions, des suspensions et des dispersifs de tels liquides, notam- ment le pétrole brut, les produits raffinés du pétrole tels que le kérosène, l'huile pale, lihuile diesel, le maxout et l'asphalte, ainsi que les dérives de tels produits du pétrole. Tors que le liquide est un fluide ae fracturation hydraulique de formations soutérraines d'un puits, il peut aussi contenir une matière par ticulaire solide inerte vis-à-vis du système, par exemple du sable, constituant un agent de soutènement, un additif de rédue- tion des pertes de fluide et d'autres matières couramment ajou tées aux fluides de fracturation.Lorsque le liquide est trans- porté d'une origine à une destination par un oléoduc, le liquide peut contenir des matieres solides inertes vis--à-vis du système, par exemple du charbon ou un minerai qui est transporté. tes agents connus pour réduire le frottement sont en gé néral des matières solides qui sont solubles, souvent très len tement, dans le liquide transporté. L'un des problèmes rencon trés dans le passé est celui de la dissolutionde cet agent dans le liquide, en un temps. raisonnable. Comme la dissolution est souvent lente, on dissout couramment une quantité relativement importante agent réducteur de frottement dans un volume rela tivement petit d'un solvant convenable de manière à former une solution concentrée. Celle-ci est ajoutée à la masse de liqui- de transporté. Le problème que résout l'invention est la réduction de l'efficacité de l'additif qui réduit les frottements une fois que le liquide qui le contient a été soumis à des forces de cisaillement, par exemple par passage dans une pompe. Cette ré duction de l'efficacité apparait dans le cas de la plupart des additifs de réduction de frottement, strion dans le cas de la totalité de ces additifs, qui sont dissous ou dispersés wlifor- mément dans la masse de liquide.L'invention concerne un système dans lequel une partie au ni oins de l'additif réduisant les pertes par frottement n'est pas dissous dans le liquide transporté mais simplement ajouté sous forme de morceaux relativement importants ou de granulés Le mélange formé est alors pompé dans un conduit avec un débit élevé. On constate que dans un tel système, la partie dc l'agent cui réduit le frottement, qui est ajoutée sous forme grossière, reste efficace après passage dans la pompe. Une explication de ce phénomène est que l'agent qui se dissout lentement-passe dans la pompe au moins en partie sous forme de morceaux ou de granulés. Ensuite, en aval de la pompe, ces morceaux et ces granulés contoinuent à se dissoudre ou à se disperse et introduisent ainsi dans le liquide un additif qui ne s'est pas dégradé. Les additifs suivants, Qui réduisent le frottement, sont des exemples d'additifs qu'on peut utiliser selon l'invention FRA-1 (pour liquides huileux) - polyisobutène ayant un poids moléculaire moyen en poids de 5,2.106. FRA-2 (pour liquides huileux) - copolymère d'éthylène et de pro pyrène contenant 4-9 moles % d d'éthylène, ayant une viscosité spé- cifique réduite de 16,2, à raison de 0,2 g dans 100 cm3 de décaline à 1350C, et un poids moléculaire estimé à partir de la vitesse spécifique réduite, à plus de 106. FRA-3 (pour fluides aqueux) - polymère de polyacrylamide hydrolysé à 30 % par réaction avec de la soude ayant un poids moléculaire tel qu'une solution à 0,5 % en poids du polymère dans une solution aqueuse à 4 % en poids de- chlorure de sodium, a une vlsco-- sité mesurée, au viscosimètre d'Ostwald, de 35 centipoises à 250C. FRA-4 (pour fluides aqueux) - gomme guar. On utilise un appareil à tuyauterie, formant un viscosi- mètre, pour déterminer l'effet sur les pertes en fluide de la forme sous laquelle on ajoute les additifs dans le liquide. Cet appareil comprend un morceau de tube de 6,1 m de longueur et 7,8 mm de diamètre interne. Le tube a la forme d'une boucle sensiblement.Si bien que ses extrémités peuvent être placées dans un baquet de 191. Une pompe centrifuge de 1,13 kw, tournant à 3455 tours par minute et fournissant 75 l par minute, de type "Ingersell-Rand" 3/4 MCS est placée dans le tube près d'une ex trémité de la boucle d'essai. Une première jauge de pression, capable de mesurer entre 0,1 et 2 bars, est placée le long du tube à 1,5 m de l t extrémité do refoulement de la pompe. Une secon de jauge analogue est placée à 3,05 m plus loin en aval de la première. 1-5 1 de liquide, comprenant une petite quantité d'ad additif de réduction de frottement, sont utilisés avec un débit de 26,5 1 par minute environ, dans l'appareil. Une vitesse de 9,3 m par seconde et un nombre de Reynolds d'environ 20 000 correspon- dent à l'utilisation d'une huile diesel comme liquide. tes mesu res sont réalisées par addition de 15 1 de liquide dans le baquet de 19.1, par mise en route de la pompe qui fait circuler le liquide dans le tube, observation de la différence de pression (perte de charge) par lecture des deux jauges, addition d'un ad ditif réducteur de frottement dans le baquet de 19 1, et obser vation à nouveau de la perte de charge.La réduction du frotte ment, exprimée en pourcentage, est calculée de la manière sui- vante Perte de charge - Perte de charge de la % Réduction du du liquide solution d'additif = x 100 frottement Perte de charge du liquide On réalise les mesures après circulation du fluide d'essai dans la pompe centrifuge une seule fois, puis après -olu- sieurs passages dans la pompe Toute diminution de la réduction du frottement au cours du temps indique une dégradation de l'ad- additif. tes résultats montrent que, lorsque l'additif est sous forme particulaire, la réduction de frottement est initialement légèrement inférieure à celle qu'on observe lorsque l'additif est d'abord dissous dans un solvant, avant addition dans la solution. Cependant, lorsque l'additif est utilisé sous forme particulaire, un pourcentage relativement élevé de la réduction du frottement est maintenu après plusieurs passages dans la pompe lors que les solusions d'essai contenant l'additif préa- lablement dissous présentent une diminution très nette de la réduction du frottement lors d'un traitement analogue.Ainsi, l'utilisation de l'additif sous forme particulaire est très avantageuse. Concentration Nombre Réducde l'additif Forme sous de pas tion de réduction laquelle sages du frot- de frottement Liquide est ajouté dans la tement, %en poids utilisé l'additif pompe % 0,1 FRA-1 Ruile diesel Solution à 10 % dans i 45 de l'huile diesel 0,1 FRA-1 Huile diesel Solution à 10 % dans 5 7 de l'huile diesel 0,1 FRA-1 Huile diesel Particules de l'huile diesel 0,1 ERA-2 Huile diesel Solution à 10 % dans 5 9 de l'huile diesel 0,1 FRA-2 Huile diesel Particules 4 O,1 FRA-2 Huile diesel Particules l'eau 0,1 FRA-3 Eau Solution à 10 % dans 5 4 l'eau 0,1 FRA-3 Eau Particules l'eau 0,1 FRA-4 Eau Solution à 10 % dans 5 11 l'eau 0,1 FRA-4 Eau Particules La dimension particulaire de l'additif dépend de la vitesse de dissolution dans le liquide. La limite inférieure est la dimension minimale pour laquelle la matière reste. encore sous forme particulaire lorsque le système passe dans la première pompe, en aval du point d'introduction de l'additif. Ainsi, les particules passent dans la pompe et continuent à se dissoudre en aval. La limite supérieure est imposée par des considérations de rentabilité et par les possfiïités de la pompe à transmettre les particules de grande dimension. ta dimension des particules peut être comprise par exer Lorsqu'on utilise l'additif de réduction de frottement sous forme particulaire, une quantité efficace de l'additif doit être dissoute ou dispersée intimement dans le liquide, lors du transport du fluide de base- pompé dans le conduit. Lorsque cette période est prolongée, par-exemple dans un oléoduc de grande longueur, il est souvent commode que l'additif ait une granulométrie étagée. Ainsi, les petites particules se dissolvent et se dispersent relativement rapidement et assurent la réduction du frottement juste après le mélange de l'additif avec le fluide. tes particules les plus grosses ont tendance- à se dissoudre lentement et se dispersent totalement ultérieurement, si bien qu'elles maintiennent les propriétés de réduction du frottement un temps notable après le mélange.Ainsi, la disparition plus ou moins uniforme de l'additif dans le fluides de base a lieu au cours du temps de transport. Un additif préféré de granulométrie variable contient au moins 20 % en poids des particules dont la dimension est comprise entre 0,54 et 4 mm, au moins 20 % de particules dont la dimension est comprise entre 0,16 et 0,D7 mm et au moins 20 % de particules dont la dimension est comprise entre 0,075 et 0,15 mm. te pourcentage restant assurant le complément à 100 %, peut être d'une dimension particulaire quelconque comprise entre 48 microns et 4 mm. Il est bien entendu que l'invention n'a été décrite et représentée av.'à titre d'exemple préférentiel et qu'on pourra apporteur toute equivalence technique dans ses éléments constitutifs sans pour autant sortir du cadre de l'invention, qui est défini dans les revendications annexées. REVEI1DICATIO'JS 1. Procédé de réduction des pertes par frottement lors de la transmission par pompage d'un liquide dans un conduit, avec un débit élevé, ledit procédé comprenant la dispersion dans le liquide d'un agent réducteur de frottement dont. une partie au moins est sous forme particulaire de dimension comprise entre 48 microns et 4 mm, la dispersion résultante circulant dans le conduit. -2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'agent réducteur de frottement est de granulométrie étagée telle que 20 % au moins en poids des particules aient une dimension comprise entre 0,54 et 4 mm, 20 % au moins des particules aient une dimension comprise entre 0,16 et 0,37 mm, 20 % au moins en poids des particules aient une dimension comprise entre 0,075 et 0,19 mm, le reste des particules ayant une dimension particulaire comprise entre 48 microns et 4 mm. 3. Procédé de transport d'un liquide par pompage dans un conduit avec un débit élevé, le liquide contenant une dispersion d'un agent réducteur de frottement, ledit procédé étant caractérisé en ce qu'une partie au moins de l'agent réducteur de frottement est sous forme particulaire, les particules ayant une dimension comprise entre 48 microns et 4 mm. 4. Procédé de fracturation hydraulique d'une formation terrestre, dans laquelle pénètre un puits dans lequel un fluide de fracturation est pompé de manière qu'il pénètre dans la formation terrestre avec une-vitesse élevée assurant la fracturation de la formation, ledit procédé étant caractérisé en ce que les pertes par. frottement. du courant de liquide de fracturation sont réduites par addition au fluide de fracturation d'un additif réducteur des pertes par frottement, sous forme particulaire, la dimension des particules étant comprise entre 48 microns et 4 mm.