Brevet FR2578173A1 — publié le 19860905

La présente invention a trait à un procédé pour améliorer l'aptitude à la filtration et l'injectivité de solutions aqueuses de biopolymères utilisées comme agents épaississants dans des procédés perfectionnés de récupéra- tion de pétrole. L'utilisation d'opérations d'injection d'eau pour récupérer le pétrole de gisements souterrains est une pra- tique bien connue et couramment utilisée dans l'industrie du pétrole. Une injection d'eau représentative consiste à injecter un milieu liquide de noyage, par exemple de l'eau, dans le gisement pour déplacer le pétrole à travers le gisement vers un ou plusieurs puits de production par lesquels il peut être ramené à la surface de la terre. Malheureusement, l'eau injectée tend à cheminer à travers certaines portions du gisement. Cette inaptitude de l'eau à balayer un pourcentage important du volume du gisement dans le système des puits utilisés dans l'opération d'in- jection affecte gravement la récupération finale du pétrole et porte atteinte à l'intérêt économique de l'opération. En conséquence, il est nécessaire d'améliorer le rende- ment de balayage des injections d'eau et ce besoin est reconnu depuis longtemps par les spécialistes de l'indus- trie pétrolière. L'art antérieur enseigne qu'un mauvais rendement de balayage est la résultante' de plusieurs facteurs. L'un d'eux est la tendance naturelle du liquide à s'écouler suivant le trajet de moindre résistance; par conséquent, l'eau s'écoule à travers les portions très perméables du réservoir hétérogène avec une plus grande facilité que dans les portions moins perméables. Un autre facteur impli- que la différence existant entre les mobilités de l'eau injectée et du pétrole présent dans le gisement. Dans les deux cas, le rendement de balayage d'un réservoir peut être amélioré par l'élévation de la viscosité de l'eau injectée. L'utilisation d'additifs hydrophiles élevant la viscosité d'une eau injectée est connue et pratiquée dans l'art antérieur, et des additifs couramment utilisés à cette fin comprennent des polyacrylamides partiellement hydrolysés, des copolymères d'acrylamide et d'acrylates et l'un des groupes très prometteurs d'agents épaississants, à savoir des polysaccharides ioniques, notamment le poly- saccharide préparé en utilisant des bactéries du genre Xanthomonas, dont le plus commun est le polysaccharide B-1459. Bien que les polysaccharides présentent de nom- breuses caractéristiques avantageuses dans leur comporte- ment, et bien qu'on les préfère à d'autres polymères hydro- philes dans de nombreuses applications, on a identifié certains problèmes qui limitent leur efficacité, tout au moins dans certains gisements. Les polysaccharides les plus efficaces et les plus avantageux du point de vue de l'acquisition d'une haute viscosité à des concentrations relativement faibles sont parfois difficiles à disperser totalement dans des milieux relativement salés, par exemple dans des saumures de gisements contenant plus d'environ 000 parties par million de matières solides dissoutes totales. Un problème important de l'utilisation d'hétéro- polysaccharides comme agents épaississants, même après leur dispersion dans la solution, est que les solutions présentent encore une mauvaise injectivité dans la forma- tion du gisement. Il est connu qu'une altération de l'in- jectivité est provoquée par une mauvaise dispersion qui mène à un colmatage du front de sable. Pour cette raison, les principaux fabricants d'hétéropolysaccharides recom- mandent de faire passer les solutions de biopolymères entre une série de plateaux de cisaillement pour mieux disperser le biopolymère. Par exemple, dans le Technical Bulletin XF N 5 publié par Kelco, division de la firme Merck & Co., Inc., une norme précise est décrite pour le cisaillement d'un hétéropolysaccharide du type Xanthomonas. Une façon d'aborder le problème de la mauvaise capacité d'injection dans l'environnement particulièrement hostile d'un gisement contenant des borates hydrosolubles est décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique N 4 232 739. Une opération de double cisaillement est préconisée comme partie d'un procédé de dispersion de polysaccharides dans une saumure. Les conditions parti- culières de cisaillement dans chacune des étapes de cisaillement sont celles qui sont avancées par Kelco, bien que Kelco ne spécifie pas l'utilisation d'une opération de double cisaillement. Ce brevet mentionne que la pres- sion différentielle de cisaillement, de part et d'autre des plateaux de cisaillement doit être maintenue au-dessous du point qui provoque une dégradation du polymère. Les solutions de polysaccharides résultantes sont soumises à une évaluation d'injectivité par passage à travers un filtre de 3 micromètres, bien que les renseignements soient incomplets du fait que les vitesses auxquelles les solutions traversent le filtre ne sont pas indiquées. Une autre voie d'accès consiste à filtrer simple- ment ou à clarifier la solution après un cisaillement classique. Bien qu'on puisse ainsi obtenir des solutions douées d'une excellente aptitude à la filtration, le filtrat résultant ne peut pas avoir la viscosité désirée, simplement du fait qu'une grande quantité du polymère est éliminée par filtration. En outre, un tel procédé prend habituellement du temps et s'accompagne de grandes pertes. Par conséquent, un grave problème existe encore en ce qui concerne la préparation de solutions de bio- polymères ayant de bonnes injectivités ou capacités d'in- jection dans des gisements. Des injectivités meilleures que celles qui sont possibles avec une solution qui tra- verse un filtre de 3 micromètres sont exigées dans de nombreux cas. Cependant, même des passages répétés entre des plateaux de cisaillement ne donnent pas une solution ayant l'injectivité désirée et une viscosité convenable. Conformément à l'invention, des hétéropolysaccha- rides sont disposés très efficacement dans une solution aqueuse par passage de la solution dans un broyeur à colloPdes. La solution résultante est caractérisée par une grande aptitude à la filtration à travers un filtre de 1,2 micromètre, de 47 mn de diamètre, avec une chute de pression constante de 0,23 MPa de part et d'autre du fil'tre. La solution ne Présente pas de baisse importante de viscosité après le cisaillement. -A cause de ces zro- priétés, les solutions préparées conformément à la pré- sente invention ont de très bonnes injectivités dans des formations souterraines et elles évitent beaucoup des problèmes de colmatage qui ont existé jusqu'à présent. La présente invention est basée en partie sur la découverte selon laquelle le mode de cisaillement de la solution de biopolvmère et le degré de cisaillement ont une importance déterminante pour l'obtention de solu- tions ayant des injectivités acceptables. En particu!ier, on considère que le passage de solutions entre des pla- teaux de cisaillement exerce des cisaillements très peu uniformes sur les solutions, incapables en eux-mêmes de conférer aux solutions de biopolymères les injectivités désirées. La présente invention nécessite le passage des solutions de polysaccharides dans un broyeur à colloïdes ou broyeur de dispersion jusqu'à ce que les solutions traversent aisément un filtre de 1,2 micromètre. Les solutions résultantes ne présentent pas de baisse notable de viscosité comparativement à des solutions non cisail- lées. Le broyeur à colloides exerce sur la solution un cisaillement beaucoup plus uniforme et plus grand, pendant une plus longue période. Les hétéropolysaccharides auxquels la présente invention s'applique sont bien caractérisés dans l'art antérieur. Ces hétéropolysaccharides sont produits par l'action de bactéries du genre Xanthomonas sur divers glucides, comprenant de simples sucres tels que le glucose et le fructose, le saccharose et l'amidon. Des exemples représentatifs de ces bactéries sont Xanthomonas camDestris, Xanthomonas phaseoli, Xanthomonas malvacearum, Xanthomonas carotae, Xanthomonas translucens, Xanthomonas hederae et Xanthomonas papavericola. Tous les organismes ne produisent pas les hétéropolysaccharides avec une égale efficacité et, en conséquence, certaines espèces de bactéries sont plus intéressantes pour la synthèse des hétéropolymères que ne le sont d'autres bactéries. Xanthomonas camDestris est une espèce particulièrement efficace. Un hétéropolysaccharide représentatif est.le produit que l'on obtient par suite de l'action de Xantho- monas campestris NRRL B-1459 sur des glucides. Il s'agit d'un polymère contenant du mannose, du glucose, des sels d'acide glucuronique et des radicaux acétyle dans des proportions molaires d'environ 2:1:1:1. On y trouve égale- ment en moindres quantités environ 5,5 % en poids de matières inorganiques plus environ 0,15 % en poids de phosphore et autant d'azote. Le polysaccharide B-1459 est à présent un produit relativement normalisé. Son poids moléculaire est estimé à plusieurs millions. Plusieurs sources commerciales de ce polysaccharide sont connues de l'homme de l'art. Des solutions épaissies qui ont été cisaillées conformément à la présente invention ont des injectivités exceptionnelles qui les rendent particulièrement intéres- santes à utiliser pour améliorer des opérations.de récu- pération de pétrole. Les hétéropolysaccharides sont en général présents dans les solutions à injecter à des con- centrations allant d'environ 0,005 à environ 1,0 % en poids. On apprécie des concentrations qui se situent dans la plage d'environ 0,05 à environ 0,24 %. La concentra- tion exacte utilisée dépend naturellement en partie des caractéristiques du gisement dans lequel les opérations d'injection doivent être effectuées et des propriétés du pétrole qui s'y trouve. En général, il est apprécié d'utiliser suffisamment de polymère dans l'eau d'injec- tion pour que l'eau acquière une viscosité d'au moins 2 mPa.s dans les conditions de température du gisement. Des concentrations suffisantes pour donner des viscosités d'environ 25 mPa.s ou plus peuvent être utilisées avanta- geusement. La concentration en hétéropolysaccharides dans l'eau d'injection nécessaire au déplacement efficace dans un ensemble donné de conditions peut être déterminée facile- ment par le calcul du rapport de mobilité pour le système en question. Le rapport de mobilité peut être considéré comme étant une mesure du volume du liquide de déplacement qui est nécessaire pour réduire la teneur en pétrole d'un gisement contenant du pétrole à une valeur finale d'équilibre. Il est défini par l'équation V K RM = V e e p dans laquelle K désigne la perméabilité du gisement, V représente la viscosité et les indices e et p désignent, respectivement, l'eau et le pétrole. Un rapport de mobilité égal à l'unité signifie que l'eau et le pétrole se dépla- cent à travers le gisement en présence l'un de l'autre avec une égale facilité. Un volume donné d'eau pour un rapport de mobilité inférieur à l'unité déplace d'un gise- ment un volume de pétrole beaucoup plus grand que ne le fait la même quantité d'eau à un rapport de mobilité supé- rieur à l'unité. Lorsque cela est possible, la concentra- tion de l'hétéropolysaccharide dans l'eau d'injection doit être suffisante pour qu'il y ait un rapport de mobilité inférieur à l'unité. Des concentrations comprises entre environ 0,05 et environ 0,25 % en poids sont en général efficaces à cette fin. La présente invention nécessite le cisaillement d'une solution aqueuse d'hétéropolysaccharide au moyen d'un broyeur à colloides. La solution résultante traverse aisément un filtre de 1,2 micromètre et a une viscosité qui est sensiblement la même que celle de la solution mixte avant le cisaillement dans le broyeur à colloides. Un broyeur à colloides particulier que l'on peut utiliser dans la mise en oeuvre de l'invention est un broyeur à colloides Gifford-Wood, modèle "W-250V" fabriqué par la firme Greerco, Hudson, New Hampshire 03051. Le broyeur à colloides Gifford-Wood est capable de conférer un haut degré d'énergie à la solution d'hétéropolysaccharide par les forces intenses de choc et de cisaillement hydrauli- que. Le degré de décomposition des particules peut être étroitement ajusté par un réglage du jeu entre le rotor et le stator du broyeur. Divers types de broyeurs à col- loides (ou de broyeurs à dispersion, comme on les appelle parfois) peuvent être utilisés dans la mise en oeuvre de - l'invention, par exemple les broyeurs du type à marteau ou à turbine, les broyeurs du type à disques à surface lisse, les broyeurs du type à surface rugueuse et le dispositif à vannes ou à orifices. Le principe selon lequel tous ces broyeurs à colloides fonctionnent consiste à engendrer un courant de fluide à grande vitesse créant plus uniformément de très grandes forces de cisaillement qui servent à rompre les agglomérats, les microgels et les autres particules se trouvant dans la solution. Le mode opératoire suivi pour la préparation d'une solution épaissie avec un hétéropolysaccharide destinée à être utilisée comme front d'eau d'entraînement après injection d'une micro-émulsion dans la formation d'un gisement de l'Illinois, iliustre la mise en prati- que de la présente invention. ExemDle 1 Une micro-émulsion préparée conformément aux conditions indiquées dans le brevet des Etats-Unis d'Amé- rique N 4 271 907 et dans le brevet des Etats-Unis - d'Amérique N 4 293 428 a été injectée dans la formation. Un front d'eau d'entraînement épaissie a été nécessaire pour chasser la micro-émulsion et le pétrole brut vers un puits de production. Du fait que la formation avait une faible perméabilité absolue au gaz, allant d'environ 1,97.10 14 à 1,97.10-13 m2, l'injectivité de solutions d'hétéropolysaccharides préparées de façon classique a été inacceptablement faible, et de graves problèmes de colmatage ont.été prédits. Une solution aqueuse d'un hétéropolysaccharide a été préparée conformément à la présente invention. On a préparé un volume d'environ 31 794 litres de solution aqueuse contenant environ 1400 ppm de "Flocon" (marque déposée) 4800 (gomme xanthane produite par la firme Pfizer, Inc.) et des électrolytes. Les électrolytes ont été ajoutés de manière que la solu- tion ait de meilleures caractéristiques d'écoulement dans la formation, qui avait une haute concentration de matilres solides dissoutes totales (SDT). Les électrolytes étaient présents -omme suit: ElectroIvte Concentration (Dpm) Sodium 25 290 Calcium 1990 Magnésium 850 Baryum - 44 Chlorure 44 950 Bicarbonate 99 Fer-II 8 Avant le cisaillement, la solution de biopolymère avait une viscosité acceptable d'environ 40 mPa.s à 11 s1, mesurée avec un viscosimètre Brookfield à adaptateur UL. Toutefois, son aptitude à la filtration a été inacceptable, pas plus de 200 ml de la solution traversant un filtre "Millipore" (marque déposée) de 1,2 micromètre, de 47 mm de diamètre, avec une pression de 0,28 iPa de part et d'autre du filtre avant qu'un colmatage ne se manifeste. On a ensuite fait circuler continuellement le volume total de 31 794 litres dans le broyeur G-W décrit ci-dessus pendant environ 6 heures à un débit d'environ 151,4 litres/minute. Ce débit a été suffisant pour faire passer le volume total environ deux fois dans le broyeur. Apres cisaillement, des échantillons de i litre ont été mesurés pour déterminer la viscosité et l'aptitude à la filtration. Tous les échantillons avaient une viscosité de 38 à 40 mPa.s à 11 's 1. Il est très important de noter que dans les mêmes conditions de filtration que ci-dessus, pour tous les échantillons soumis à l'essai, 1 litre de solution devrait traverser le filtre de 1,2 micromètre en une période ne dépassant pas 10 minutes. En général, un cisaillement suffisant a été obtenu avec le broyeur à colloides lorsqu'un échantillon d'une solution de viscosité désirée est capable de satis- faire à certaines conditions minimales d'aptitude à la filtration. Ces conditions minimales sont satisfaites pour la plupart des gisements lorsqu'au moins environ 600 ml d'échantillon sont capables de traverser un filtre de 1,2 micromètre, de 47 mm de diamètre, en une durée n'exc- dant pas 10 minutes. De préférence, 1 litre de solution traverse le filtre en 10 minutes, et il le traverse notam- ment en 2 minutes. Il y a lieu de remarquer que la valeur exacte d'aptitude à la filtration nécessaire à la bonne injectivité d'un gisement dépend de la perméabilité de la formation et du front de sable, qui varie naturelle- ment d'un réservoir à l'autre. Ce mode opératoire peut être appliqué au cisail- lement de solutions contenant des biopolymères dans une large plage de concentrations en polymère allant de la concentration d'injection à des solutions très concentrées (par exemple des bouillons). Des solutions contenant la composition à injecter peuvent être cisaillées juste avant l'injection etpour certaines conditions opératoires, cette méthode constitue la meilleure application de lVin- vention. Le cisaillement de solutions concentrées de bio- polymère (1,0 à 4,0 % en poids de polymère) peut par- fois être bénéfique, attendu qu'il est possible de réaliser une plus grande vitesse d'écoulement massique du polymère actif (masse de polymère actif par unité de temps) dans le broyeur à colloPdes qu'avec une solution diluée. Toute- fois, comme indiqué ci-dessus, il existe certaines condi- tions opératoires résultant de la dilution de ce concentré de polymère cisaillé, qui nécessitent que la matière diluée soit cisaillée de nouveau pour obtenir la qualité maximale de la solution (en termes d'injectivité). Pour la plage de concentrations en polymère envisagée dans la présente invention (de moins de 100 ppm à plus de 4 % en poids de polymère, et jusqu'à plus de 20 % en poids pour des bouil- lons), ce procédé ne provoque pas de baisse importante de viscosité par rapport à la viscosité de la solution avant le cisaillement. Les conditions opératoires nécessitent occasion- nellement que le polymère, dans son état dilué final, soit en solution avec certains corps qui peuvent agir avec le polymère ou provoquer des interactions entre polymères avec formation de microgels (c'est-à-dire de solutions contenant de fortes concentratlons de sels, de surfactants ou d'autres agents) Il en est ainsi dans les exemples indiqués dans le présent mémoire. La solution doit alors être cisaillée dans le broyeur à cl!loldes lorsque toutes les dilutions sont terminées. De préférence, les solutions doivent être injectées aussi tôt que poss'ible apres qu'elles ont été cisaillées. La durée de séjour de la solution de polymère dans le broyeur à colloldes qui est nécessaire pour per- mettre une bonne injecti-vité dépend de la concentration du polymère, de la salinité de l'eau, de la concentration des autres composants dans la solution tels que (à titre non limitatif) les surfactants, de l'écartement entre rotor et stator du broyeur à colloides et/ou du type de broyeur à colloides. Pour une composition déterminée de la solu- tion et une configuration donnée du broyeur à colloides, on choisit la relation entre le réglage d'écartement du broyeur et le débit de manière à obtenir la meilleure qua- lité de la solution. Pour des spécifications très strictes de l'injectivité, la solution peut devoir être recyclée plus d'une fois dans le broyeur à colloides ou peut devoir traverser une série de broyeurs à colloldes. Un autre exemple d'amélioration de l'injectivité obtenue conformément à l'invention pour une micro-émulsion particulière est donné ci-après: Exemple 2 Une solution non cisaillée mais agitée de façon homogène, de composition donnée ci-après, a été soumise à un essai d'aptitude à la filtration à travers des fil- tres "Millipore" (marque déposée) de 5 micromètres et de 1,2 micromètre (diamètres respectifs de 142 mm et de 47 mm) avec une chute de pression constante de part et d'autre du filtre de 0,28 MPa. Comme indiqué, les essais de filtra- tion sont en corrélation avec l'injectivité dans des roches- magasins. La solution a ensuite été cisaillée par passage dans un broyeur à colloldes G-W et soumise de nouveau à un essai d'aptitude à la filtration. Comnosants de la solution Concentra.ion Biopclymère du type xanthane 1000 npm Surfactant (alcool polymère sulfata alkcxvlé) 2,2 % en poids Saumure (96 000 ppm de STD) le reste Huile ("Marcol 70") 2,8 % en poids Les résultats de l'essai sont donnés sur le tableau suivant: Echantillon Volume filtré dans l'essai Viscosité de de filtration la solution, mPa.s Avant cisail- 200 ml en 10 minutes lement (1' 'échantillon a colmaté le 28 filtre) Après cisail- 1000 ml en 2 minutes lement (l'échantillon entier de 28 1000 ml a traversé le filtre) On peut remarquer que la viscosité de l'échantil- Ion après cisaillement avec le broyeur à colloides a été la même qu'avant. Toutefois, après cisaillement, 1000 ml de solution ont traversé le filtre de 1,2 micromètre en 2 minutes, tandis qu'avant, le filtre a été colmaté après le passage de 200 ml seulement. Il va de soi que de la présente invention n'a été décrite qu'à titre explicatif, mais nullement limita- tif, et que de nombreuses modifications peuvent y être apportées sans sortir de son cadre. 2-578173 REiETD ICATIO2IS 1. Procédé pour améelorer l'injectivité dans un gisement d'une solution aqueuse d'hétéropolysaccharide, caracterisé en ce au'il consiste à cisailler ladite solu- 3 tion par passage dans un broyeur à colloides. 2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la solution a pratiquement la même viscosité après cisaillement qu'avant. 3. Procédé suivant la revendication 1, caracterisé en ce qu'on fait circuler la solution dans ledit broyeur à colloides jusqu'à ce qu'elle ait pour caractéristique qu'au moins 600 ml de solution soient capables de traverser un filtre de 1,2 micromètre, de 47 mm de diamètre, en une durée n'excédant pas environ 10 minutes avec une chute de pression de 0,28 MPa de part et d'autre du filtre. 4. Procédé suivant la revendication 3, caractérisé en ce qu'au moins 1 litre de ladite solution traverse ledit filtre en une période n'excédant pas environ 10 minutes, de préférence en une période n'excédant pas 2 minutes. 5. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en outre en ce qu'il consiste à faire passer la solution dans au moins un autre broyeur à colloïdes. 6. Procédé de traitement d'une solution d'hétéro- polysaccharide avant son injection dans un gisement pétro- lifère souterrain, caractérisé en ce qu'il consiste à pomper ladite solution à travers un broyeur à colloïdes jusqu'à ce qu'un échantillon de 600 ml de solution soit capable de traverser un filtre de 1,2 micromètre, de 47 mm de diamètre, en une durée n'excédant pas environ 10 minu- tes avec une chute de pression de 0,28 MPa de part et d'autre du filtre, ladite solution ayant une viscosité après cisaillement pratiquement la même qu'avant cisail- lement. 7. Procédé suivant la revendication 6, caractérisé en ce que ladite solution est un bouillon concentré con- tenant un hétéropolysaccharide, sa concentration étant de préférence comprise dans la plage de 100 à 40 000 ppm. 8. Procédé suivant la revendication 6, caractérisé en ce que ladite solution contient en outre des électro- lytes. 9. Procédé suivant la revendication 6, caractérisé en ce que la solution traverse une série de broyeurs à colloides, ladite solution traversant de préférence le filtre en 2 minutes. 10. Procédé suivant la revendication 6, caracté- risé en ce que la solution est pompée à travers le broyeur à colloides jusqu'à ce qu'un litre de solution traverse le filtre en 10 minutes. 11. Procédé suivant la revendication 6, caracté- risé en ce que la solution est une micro-émulsion. 12. Procédé suivant la revendication 6, caracté- risé en ce que la solution est une solution d'hétéropoly- saccharide concentrée. 13. Procédé perfectionné de récupération de pétrole, dans lequel une solution aqueuse d'hétéropolysaccharide est injectée dans une formation souterraine pour chasser le pétrole brut vers un puits de production, caractérisé en ce qu'il consiste: (a) à faire passer ladite solution dans un broyeur à colloldes jusqu'à ce qu'un échantillon de 600 ml de solu- tion soit capable de traverser un filtre de 1,2 micromètre, de 47 mm de diamètre, en une durée n'excédant pas 10 mi- nutes avec une chute de pression de 0,28 MPa de part et d'autre du filtre; et (b) à injecter ladite solution résultant de l'étape (a) dans ladite formation et à récupérer le pétrole brut du puits de production. 14. Procédé suivant la revendication 13, carac- térisé en ce que la solution est une micro-émulsion. 15. Procédé suivant la revendication 13, carac- térisé en ce que la solution est un front d'eau d'entraîne- ment.