Brevet FR2536386A1 — publié le 19840525

J 6386 La présente invention concerne un nouveau matériau, utilisable notamment pour l'isolation des colonnes destinées à véhiculer la vapeur dans la récupération assistée des huiles lourdes d'hydrocarbures par voie thermique. Parmi les procédés de récupération des huiles lourdes, l'un des procédés consiste à injecter de la vapeur dans une colonne creuse (tubing) disposée dans un puits de production afin de diminuer la vis- cosité des huiles et permettre ainsi leur récupération soit par le même puits, soit par un autre puits relativement proche - Le plus souvent il s'avère nécessaire d'isoler la colonne sur sa paroi externe de façon à améliorer la qualité de la vapeur en fond de puits, d'une part, et de limiter, d'autre part, les effets des con- traintes mécaniques et thermiques qui se produisent le long du tubage et peuvent conduire à une déformation (flambage) et une rupture des joints lorsque la colonne n'est pas isolée et que la température de vapeur est élevée (supérieure à 250 C) - De nombreuses techniques d'isolation ont été décrites dans l'art antérieur: certaines techniques font appel à des fluides occu- pant tout l'espace annulaire, tels qu'un gaz sous très faible pression, une huile minérale visqueuse contenant du silicate de magnésium fibreux ou de l'amiante finement divisée, ou un mélange d'huile lourde, d'acide gras et d'agent de saponification, ou encore des gels stables et de faible conductivité, ou du soufre fondu Ces divers procédés présentent l'inconvénient d'entraver une éventuelle utilisation de l'espace an- nulaire pour le passage d'un fluide par exemple. D'autres méthodes d'isolation de la colonne ne présentent pas cet inconvénient On peut citer le revêtement de la colonne au moyen de peinture isolante ou l'emploi d'une garniture de complétion munie d'une gaine isolante Ces procédés, qui ne sont pas très efficaces, sont peu employés Les procédés les plus employés sont d'une part le procédé Thermocase III qui consiste en un gainage complexe des colonnes et un système de soufflets mis en place avant la descente de la colonne, mais 253 m 386 ce procédé est très cher, et d'autre part le procédé du brevet US 3525399 qui consiste à déposer sur la paroi de la colonne une mousse de silicate de métal alcalin qui est très isolantemais qui est très lente à solubiliser (durée de dissolution de l'ordre de huit jours) ce qui retarde le retrait de la colonne en fin d'exploitation de puits. Cette mousse est obtenue par chauffage à l'ébullition d'une solution de silicate de sodium de rapport pondérai Si O 2/Na 20 de 3,2: 1 au de rapport pondéral Si O 2/K 20 de 2,4: 1, correspondant à des rapports molaires Si O 2/Na 20 ou Si O 2/K 20 respectivement égaux à 3,3: 1 et 3,7: 1. Le matériau d'isolation de l'invention est une mousse de si- licate de métal alcalin qui présente le double avantage de pouvoir se former facilement par simple chauffage d'une solution aqueuse de sili- cate de métal alcalin et de pouvoir se solubiliser rapidement dans l'eau lorsque sa présence n'est plus souhaitée, par exemple lorsqu'on démonte une colonne de tubes dans un puits de production. Le matériau isolant de l'invention est formé par chauffage à l'ébullition du mélange d'une solution de silicate de sodium de rapport molaire Si O 2/Na 20 (RM) compris entre 2,8: 1 et 4: 1, et de préférence entre 3,1: 1 et 3,4: 1 avec une solution de silicate de sodium de rapport molaire Si O 2/Na 20 (Rm) compris entre 1,8: 1 et 2,4: 1 et de préférence entre 1,9: 1 et 2,1 1. Les excellentes propriétés des mousses obtenues selon l'inven- tion apparaitront encore plus surprenantes à l'examen des essais et considérations suivants: Les mousses de polysilicates peu solubles utilisées selon l'art antérieur, sont généralement des mousses obtenues à partir d'e solu- tion de silicate de sodium dont le rapport molaire Si 02/I Na L est voisin de 3,2 à 3,3 Les mousses obtenues ont généralement une dnsi té v Disiue de 0,25 et une solubilité très faible dans l'eau Il est Possible d'a- méliorer considérablement la solubilité dans l'eau de ces mmusses, en augmentant sensiblement le p H de la solution de silicate, soit en ajoutant un alcali tel que la soude ou la potasse à la solution de silicate de rapport molaire Si O 2/Na 2 O = 3,2 ou 3,3, soit en utilisant une solution de silicate, de sodium par exemple, ayant un rapport molaire Si O 2/Na 2 O plus faible, c'est à dire de l'ordre de 2 Mais dans ces conditions la mousse de polysilicate ne se forme que si l'on assure une élimination totale de l'eau La mousse obtenue est alors très soluble dans l'eau Mais cette composition ne peut être utilisée pour l'isolation des colonnes, car la mousse obtenue a une solubilité telle qu'elle se redissout au fur et à mesure qu'elle se forme dans l'espace annulaire Par ailleurs l'alcalinisation de la solution de silicate au moyen d'un alcali faible tel que l'hydroxyde de zinc ou l'ammoniaque, conduit aux mêmes résultats décevants. Il.a été découvert que l'association des solutions de deux silicates, l'un de rapport molaire élevé Si O 2/Na 2 O (RM) de 2,8 à 4 et de préférence de 3,1 à 3,4 et l'autre de rapport molaire faible (Rm) de 1,8 à 2,4 et de préférence de 1,9 à 2,1 ne présente pas cet incon- vénient En effet si l'on mélange intimement des solutions de ces deux silicates ainsi définis, on obtient des solutions qui conduisent aisé- ment à la formation de mousse le long de la colonne, ladite mousse étant plus isolante, plus homogène et beaucoup plus soluble que celle obtenue avec la solution de silicate de RM voisin de 3,3 La proportion de solution de silicate de sodium de rapport Rm est de 5 à 40 % et de préférence 10 à 20 % en volume par rapport à l'ensemble des solutions des rapports Rm et RM Ces mélanges conduisent à des mousses ayant de façon surprenante une densité et un coefficient de conductivité ther- mique très proches de ceux des mousses obtenues à partir de silicates de Rm faibles purs, bien que la proportion de ce type de silicate dans le mélange soit réduite, mais elles présentent l'avantage sur ces dernières de se former aussi aisément sur la paroi de la colonne que les mousses obtenues à partir de silicate de RM élevé Elles sont par- ticulièrement utilisables dans le domaine des températures de-150 à 350 C, correspondant aux températures habituelles de la vapeur injectée dans les puits de récupération d'huiles lourdes, mais elles sont uti- lisables également pour l'isolation de matériaux jusqu'à'800 'C. Une amélioration de la solubilité des mousses peut être ob- tenue lorsqu'on ajoute au mélange de silicates décrit ci-dessus un agent tensioactif anionique, par exemple un dérivé d'alkyl sulfate ou un dérivé sulfoné de monoester ou diester, ou encore un dérivé d'alkyl arène sulfonate; ou un agent tensio actif non ioniquepar exemple un ester d'acide gras ou un polyéthoxyester d'acide gras ou d'alkylphénol; ou un agent tensio actif cationique,par exemple un dérivé d'oxyalcoylamide ou un dérivé des mono et diamines aliphatiques, sans que cette liste soit limitative. La densité du mélange des solutions peut être comprise par exemple entre 1,2 et 1,6 Il est avantageux d'utiliser des solutions concentrées; on peut donc même procéder à une concentration préalable des solutions du commerce. Les exemples suivants sont donnés à titre non limitatif. Exemple 1 On réalise une maquette représentant un tronçon de puits uti- lisable pour la récupération assistée des huiles lourdes par injection de vapeur Ce tronçon est constitué d'un élément de colonne (hauteur 500 mm, diamètre intérieur 63 mm, diamètre extérieur 74 mm) et d'un tubage concentrique (hauteur 500 mm, diamètre intérieur 227 mm, dia- mètre extérieur 245 mm) A chaque extrémité de cet ensemble sont fixées des plaques de matériau isolant destiné à limiter les effets de fonds. De plus le tubage est entouré d'une couche isolante de vermiculite de mm d'épaisseur Une résistance électrique permet de chauffer la paroi interne de la colonne et de simuler ainsi le passage d'un fluide chaud Des thermocouples placés sur la paroi externe du tubage permet- tent de mesurer sa température Enfin la maquette est équipée d'orifices de remplissage et de vidange permettant l'introduction et l'élimination des solutions de silicate de sodium. Dans ce premier exemple on chauffe la colonne en l'absence de toute isolation La température relevée au niveau du tubage se stabi- lise à 1960 C pour une température de colonne de 300 C + 50 C et à 1360 C pour une température de colonne de 200 C + 50 C. Exemple 2 Dans la maquette décrite dans l'exemple 1, on introduit, dans l'espace annulaire une solution de silicate de sodium dont le rapport molaire RM est de 3,3 On chauffe la colonne à une température de 300 C + 50 C Après 8 h de chauffage on élimine la solution résiduelle. La mousse formée sur la paroi externe de la colonne a une épaisseur moyenne de 13 mm Son coefficient de conductivité thermique A exprimé en watts par mètre degré Kelvin est de 0,10 Sa densité est de 0,24. On chauffe à nouveau la colonne à une température bien régulée jusqu'à stabilisation de la température du tubage Celle-ci se stabi- lise à 1450 C pour une température de colonne de 300 C + 50 C et à 101 C pour une température de colonne de 200 'C + 5 C. La mousse formée se dissout dans l'eau en 8 jours environ à la température de 20 C et en 2 jours environ à 60 C. L'aspect de la mousse est hétérogène, les pores étant beau- coup plus fins au voisinage de'la paroi de la colonne qu'à la périphé- rie de la mousse formée. Exemple 3 On reproduit l'essai de l'exemple 2 en introduisant dans l'es- pace annulaire une solution composée de 90 % en volume d'une solution de silicate de sodium de densité 1,33 (RM = 3,3) et de 10 % en volume d'une solution de silicate de sodium de densité 1,54 (Rm = 2) On chauffe la colonne à une température de 300 C + 50 C Après 8 h de chauf- fage on élimine la solution résiduelle La mousse forméesur la paroi de la colonne a une épaisseur moyenne de 14 mm Ses caractéristiques sont un A de 0,063 W/m K et une densité de 0,138. On chauffe à nouveau la colonne à une température bien régulée -jusqu'à stabilisation de la température du tubage Celle-ci se stabi- lise à 1350 C pour une température de colonne de 300 C + 50 C et à 94 VC pour une température de colonne de 200 C 5 %C. La mousse obtenue se dissout en 24 h dans l'eau à 20 'C et en 4 h dans l'eau à 60 C L'aspect de la mousse est très homogène. Exemple 4 On reproduit l'essai de l'exemple 2 en introduisant dans l'es- pace annulaire une solution composée de 85 % en volume d'une solution de silicate de sodium de densité 1,33 (RM = 3,3) et de 15 % en volume d'une solution de silicate de sodium de densité 1,54 (Rm = 2) On chauffe la colonne à une température de 300 C + 50 C Après 8 h de chauffage on élimine la solution résiduelle La mousse formée sur la paroi de la colonne a une épaisseur moyenne de 14 mm, A = 0,06 W/m K; densité 0,129. On chauffe à nouveau la colonne à une température bien régulée jusqu'à stabilisation de la température du tubage Celle-ci se stabilise 2 SD 3 & 66 à 1280 C pour une température de colonne de 3000 C + 50 C et à 890 C pour une température de colonne de 200 C + 5 C. La mousse obtenue se dissout entièrement en moins de 2 h dans l'eau à 600 C et en moins de 24 h dans l'eau à 200 C L'aspect de la mousse est très homogène (pores fins et réguliers). Exemple 5 On reproduit l'essai de l'exemple 2 en introduisant dans l'es- pace annulaire une solution composée de 50 % en volume d'une solution de silicate de sodium de densité 1,33 (RM = 3,3) et de 50 % en volume d'une solution de silicate de sodium de densité 1,54 (Rm = 2) On chauffe la colonne à une température de 3000 C 50 C O Après 8 h de chauffage, au- cune formation de mousse n'est observée sur la paroi externe de la co- lonne. Exemple 6 On reproduit l'essai de l'exemple 2 en introduisant dans l'es- pace annulaire une solution de silicate de sodium de densité 1,54 (Rm = 2) On chauffe la colonne à une température de 3000 C + 50 C Après 8 h de chauffage, aucune formation de mousse n'est observée sur la paroi externe de la colonne. Exemple 7 On reproduit l'essai de l'exemple 4 en remplaçant le mélange de silicatespar une solution de silicate de sodium de densité 1,33 (Rm = 3,3) dans laquelle on ajoute 15 g de soude pure en pastille par litre de solution, jusqu'à complète dissolution de façon à obtenir une solution de même teneur en Na 2 O -On chauffe la colonne à une tempéra- ture de 3000 C + 50 C Après 8 h de chauffage aucune formation de mousse n'est observée sur la paroi externe de la colonne. :36386 REVENDICATIONS 1 Matériau isolant, sous forme de mousse, caractérisé en ce qu'il est obtenu par chauffage du mélange de 95 à 60 % en volume d'une solution aqueuse de silicate de sodium de rapport molaire (RM) Si O 2/Na 2 O de 2,8: 1 à 4: 1 et de 5 à 40 % en volume d'une solution aqueuse de si- licate de sodium de rapport molaire (Rm) Si O 2/Na 2 O de 1,8 à 2,4. 2 Matériau isolant selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est obtenu à partir d'une solution de rapport RM de 3,1 à 3,4 et d'une solution de rapport Rm de 1,9 à 2,1. 3 Matériau isolant selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est obtenu par ledit chauffage, les proportions du mélange étant de 10 à 20 % en volume de la solution de rapport Rm et de 90 à 80 % en volume de la solution de rapport RM. 4 Utilisation d'un matériau selon l'une des revendications 1 à 3 pour l'isolation thermique. 5 Utilisation selon la revendication 4, dans le domaine de température de 150 à 8000 C. 6 Utilisation selon la revendication 4 ou 5, appliquée à la paroi d'une colonne creuse destinée à véhiculer de la vapeur d'eau dans un puits pour la récupération d'une huile lourde d'hydrocarbures.