Brevet FR2622645A1 — publié le 19890505

Procédé pour remettre en marche l'écoulement central d'huiles très visqueuses dans une conduite après une période d'arrêt. La présente invention se rapporte au secteur du transport de fluides très visqueux tels que les pétroles bruts très lourds, les bitumes ou les sables bitumineux, qui seront désignés dans la suite par huiles visqueuses. Des pertes par frottement se produisent souvent lors du pompage de fluides visqueux dans une conduite. Ces pertes sont dues aux contraintes de cisaillement qui s'établissent entre la paroi de la conduite et le fluide transporté. Quand ces pertes par frottement sont élevées, des chutes de pression importantes ont lieu sur la longueur de la conduite. Dans des conditions extrêmes, le fluide visqueux transporté peut adhérer aux parois de la conduite, notamment aux emplacements o il y a de brusques changements de direction de l'écoulement. Un procédé connu pour réduire les pertes par frottement dans la conduite consiste à introduire dans l'écoulement un fluide moins visqueux et non miscible tel que l'eau pour qu'il agisse en tant que couche lubrifiante pour absorber les contraintes de cisaillement développées entre les parois de la conduite et le fluide. Ce procédé est connu sous le nom d'écoulement central ou de noyau parce qu'il se forme un noyau stable du fluide le plus visqueux, c'est-à-dire de l'huile visqueuse, et une couche environnante, généralement annulaire, du liquide le moins visqueux. Les documents de brevets des E.U.A. n 2 821 205 de Chilton et associés et n 3 977 469 de Broussard et associés illustrent l'utilisation d'un écoulement central pendant le transport d'huile dans une conduite. On établit généralement un écoulement central en injectant le liquide moins visqueux autour du fluide le plus visqueux qui est -pompé dans la conduite. Les documents de brevets des E.U.A. n 3 502 103 et 3 826 279, tous les deux de Verschuur et le document de brevet des E.U.A. n' 3 886 972 de Scott et associés représentant quelques uns des dispositifs utilisés pour créer un écoulement central à l'intérieur d'une conduite. b Une solution variante pour établir un écoulement central est représentée dans le brevet des E.U.A. n 4 047 539 de Kruka, dans lequel l'écoulement central est créé en soumettant une émulsion d'eau dans l'huile à une vitesse de cisaillement élevée. Bien que l'eau douce soit le fluide le plus communément utilisé en tant que composant le moins visqueux de l'écoulement central, on a utilisé d'autres fluides ou une combinaison d'eau et de produits ajoutés. Le document de brevet des E.U.A. n 3 892 252 de Poettman illustre un procédé pour accroître la capacité d'écoulement d'une conduite utilisée pour transporter des fluides en introduisant un système colloïdal dans l'écoulement des fluides. Le système colloidal comporte un agent tensioactif, de l'eau et un hydrocarbure. Le document de brevet de l'U.R.S.S. n 485 277 de Avdshiev illustre un procédé dans lequel le fluide de plus faible viscosité est constitué d'une émulsion d'une fraction légère d'hydrocarbure dans l'eau. Le document de brevet de l'U.R.S.S. n 767 451 de Budina et associés illustre un procédé d'écoulement central dans lequel le fluide de plus faible viscosité est une solution constituée d'eau et d'agents tensio-actifs synthétiques. Au cours de toute opération courante de pompage de pétrole brut, il y a une possibilité notable de panne qui interrompt le fonctionnement. Par exemple, l'écoulement du pétrole dans la conduite peut être interrompu par une défaillance mécanique d'une pompe, par une panne d'alimentation électrique ou par une rupture de la conduite. Quand on utilise un écoulement central pour transporter de l'huile visqueuse dans une conduite, des interruptions de fonctionnement pendant des périodes de temps relativement courtes peuvent entrainer une séparation des phases par stratification. Les tentatives de remise en marche de l'écoulement central par mise en route simultanée des pompes de fluide à faible viscosité et des pompes d'huile visqueuse peuvent entrainer des crêtes ou pointes de pression élevées à la sortie des pompes ou sur la longueur de la conduite. Ces crêtes de pression élevées peuvent provoquer la rupture de la conduite si la pression atteinte dépasse la pression de travail maximale admissible. En conséquence, un but de la présente invention est de créer un procédé pour remettre en marche l'écoulement central dans une conduite. Un autre but de la présente invention est de créer un procédé tel que cidessus et qui réduise sensiblement la pression maximale qui s'établit pendant la remise en marche. Un autre but supplémentaire de la présente invention est de créer un procédé tel que ci-dessus et qui supprime essentiellement les fluctuations de pression importantes dans l'installation. A cet effet, la présente invention concerne un procédé pour remettre en marche l'écoulement central d'huile visqueuse dans une conduite après une interruption de l'écoulement, caractérisé en ce qu'il comporte la mise en écoulement d'un fluide de faible viscosité, de préférence de l'eau, dans la conduite notamment au moyen d'une pompe, l'accroissement progressif, de préférence de façon sensiblement linéaire, de l'écoulement du fluide de faible viscosité jusqu'à ce qu'on atteigne une condition d'état permanent souhaitée et la vitesse critique requise pour former un écoulement annulaire, et la mise en écoulement de l'huile visqueuse dans la conduite après que les conditions d'état permanent et d'écoulement annulaire aient été atteintes. 4 2622645 Lorsque l'écoulement de l'huile visqueuse a été mis en marche, il est progressivement accru, soit par réglage d'un moteur à vitesse variable relié à une pompe utilisée pour créer l'écoulement de l'huile visqueuse, soit par réglage d'une vanne de commande disposée dans une conduite d'huile visqueuse en dérivation. Le procédé comporte en outre la réduction à une valeur minimale de la crête ou pointe de pression qui s'établit pendant l'opération de remise en marche en ajoutant un agent tensio-actif au fluide de faible viscosité. Quand le fluide de faible viscosité est l'eau, la pression de pointe ou de crête est réduite à une valeur minimale en ajoutant à l'eau moins de 500 milligrammes par litre d'un agent mouillant. On a constaté que la pression maximale qui s'établit pendant l'opération de remise en marche suivant la présente invention est bien plus faible que la pression maximale qui s'établit si les pompes d'huile visqueuse et de fluide de plus faible viscosité sont mises en marche simultanément. Elle est également plus faible que la pression maximale qui s'établit pendant des techniques dans lesquelles la pompe du liquide de faible viscosité est mise en route au moment du débit maximal. D'autres avantages du procédé suivant la présente invention consistent dans la suppression des fluctuations de pression importantes dans l'installation, la possibilité de remise en marche de l'écoulement central après des périodes d'arrêt relativement longues à savoir jusqu'à une semaine, et la possibilité d'établir l'écoulement central dans une période de temps relativement courte. L'invention est décrite plus en détail ci-après en se référant aux dessins annexes representant des exemples de réalisation de l'invention, dessins dans lesquels: - la fig. 1 est une vue schématique d'une installation pour établir un écoulement central dans une conduite transportant de l'huile visqueuse; - la fig. 2 est une vue schématique d'une variante de réalisation d'une installation pour établir un écoulement central dans une conduite transportant de l'huile visqueuse; - la fig. 3 est un graphique représentant en fonction du temps les variations de la pression à l'entrée d'une conduite suivant le procédé de la présente invention; - - la fig. 4 est un graphique représentant en fonction du temps les variations de la pression à l'entrée d'une conduite pendant une opération de remise en marche suivant un procédé différent de celui de la présente invention; et -la fig. 5 est un autre graphique représentant en fonction du temps les variations de pression pendant une opération de remise en marche suivant le procédé de la présente invention. L'huile visqueuse est obtenue par un ou plusieurs puits forés dans un champ pétrolifère de pétrole lourd ou extra-lourd ou encore de bitume. La production de chaque puits est généralement envoyée à une station centrale à partir de laquelle l'huile visqueuse est transportée à un terminal pour l'envoi à une raffinerie. La station centrale et le terminal sont reliés par une conduite qui s'étend souvent sur de longues distances. C'est dans cette conduite de liaison que l'écoulement central est utilisé pour faciliter le transport de l'huile visqueuse. Une installation type 10 pour créer un écoulement central dans une conduite 12 est représenté sur la fig. 1. Dans cette installation, l'huile visqueuse à transporter pénètre dans une partie d'entrée de la conduite par une buse- d'injection 16. L'écoulement de l'huile dans la buse 16 est réglé par une pompe 18 dont le débit de refoulement est réglé à son tour par un moteur à vitesse variable 20. La buse 16 peut présenter une construction désirée quelconque connue dans la technique. Comme exposé précédemment, l'écoulement central implique la création d'une couche annulaire de fluide de faible viscosité entre la paroi de la conduite et l'écoulement central ou de noyau de l'huile visqueuse. Cette couche annulaire est créée en injectant un fluide de faible viscosité, tel que l'eau, dans la partie d'entrée 14 de la conduite, en général en un emplacement voisin de l'extrémité de sortie de la buse d'injection d'huile 16. Le fluide de faible viscosité est injecté dans la conduite par une pompe 22. Des moyens appropriés, non représentée, peuvent être prévus pour régler le débit de la pompe 22 et commander ainsi le débit du fluide de faible viscosité dans la conduite. Si on le désire, une vanne non représentée peut être incorporée dans la conduite de fluide de faible viscosité pour commander le débit du fluide de faible viscosité. Quand le fonctionnement de la conduite est interrompu, de telle sorte que l'écoulement de l'huile visqueuse et/ou du fluide de faible viscosité s'arrête, une stratification se produit entre les deux phases qui sont dans la conduite. La remise en marche de l'écoulement central, en particulier après une longue période d'arrêt, peut entraîner des perturbations. Il peut, par exemple, s'établir des crêtes de pression importantes dans la conduite à la sortie des pompes ou sur la longueur de la conduite si l'on met en route simultanément la pompe de fluide de faible viscosité et la pompe d'huile visqueuse. Ces crêtes de pression importantes peuvent endommager les pompes ainsi que la conduite et provoquer un retard supplémentaire de la remise en marche de l'écoulement central. Le procédé de remise en marche suivant la présente invention évite avec succès les problèmes posés par d'autres procédés de remise en marche. Conformément à la présente invention, l'écoulement central est remis en marche en établissant d'abord l'injection du fluide de faible viscosité, c'est- à-dire de l'eau, dans la conduite 12 par mise en route de la pompe 22. Le flux du fluide de faible viscosité est ensuite progressivement accru, par exemple en réglant le débit de la pompe 22 au moyen d'une technique connue quelconque jusqu'à ce que soit atteinte une condition d'écoulement permanent du fluide de faible viscosité. Dans la condition d'écoulement permanent, le débit du fluide de faible viscosité doit être sensiblement égal au débit du fluide de faible viscosité avant l'interruption. Il est clair que la condition d'état permanent correspond à celle qui existait avant la panne et qui ne varie pas avec le temps. La vitesse avec laquelle l'écoulement du fluide de faible viscosité est accru est un facteur important parce que si l'écoulement est brusquement accru, la totalité de la section transversale de la conduite est bloquée et l'huile visqueuse produit des crêtes de pression élevées. La vitesse à utiliser dans une situation donnée est fonction de la viscosité de l'huile, de la période de temps de la condition d'arrêt, de la longueur de la conduite, de la concentration en fluide de faible viscosité utiiisée pendant la condition d'état permanent, du diamètre de la conduite, de la nature du matériau et de la présence d'additifs dans le fluide de faible viscosité. On peut déterminer une vitesse -' d'accroissement appropriée à partir de l'équation suivante: Q = (Qmax/To) T (1) dans laquelle: Q = accroissement du débit massique du fluide de faible viscosité, Qmax = débit massique maximal du fluide de faible viscosité dans la condition d'état permanent, To = temps correspondant à l'établissement de conditions d'écoulement annulaire avec noyau central, et T = temps écoulé depuis la remise en marche. La valeur de To peut être calculée à partir de l'équation: To = KT 1/2 (2) dans laquelle Ts est le temps d'arrêt en heures et K est une constante qui dépend des caractéristiques de l'huile et du traitement de la paroi de la conduite. Pour les cas présentés ici K = 1/65. Le but de cette façon de procéder est d'obtenir de façon progressive la vitesse critique à l'interface entre les phases stratifiées d'huile visqueuse et de fluide de faible viscosité, de manière que l'interface ondulée résultante de la phase d'huile visqueuse produise un blocage partiel de la section transversale occupée par le fluide de faible viscosité et un déplacement latéral de ce fluide de faible viscosité ainsi que la formation résultante d'un écoulement annulaire. Cette façon de procéder à également pour but d'accroitre progressivement la pression de refoulement de la pompe 22 à une valeur maximale et de réduire ensuite la valeur de cette pression avec le temps jusqu'à ce quelle atteigne une condition d'état permanent. La valeur de la pression maximale et le temps nécessaire pour cette phase de l'opération dépendent aussi de paramètres liés à la vitesse d'accroissement du flux par la pompe 22. Lorsque les conditions d'état permanent et d'écoulement annulaire sont obtenues, la pompe 18 est mise en route pour établir l'écoulement d'huile visqueuse dans la conduite 12 par l'intermédiaire de la buse 16. Là encore, le débit d'huile visqueuse fourni par la pompe 18 est progressivement accru. Comme représenté sur la fig. 1, le débit est réglé par réglage d'un moteur à vitesse variable 20 relié à la pompe 18. En variante, comme représenté sur la fig. 2, le débit peut être réglé en utilisant une conduite en dérivation 24 munie d'une vanne de commande 26. L'accroissement de pression dû à la mise en route de la pompe 18 est fonction du débit avec lequel l'huile visqueuse est refoulée par la pompe 18. La valeur correspondante est bien plus faible que la crête de pression obtenue pendant l'étape d'établissement de l'écoulement du fluide de faible viscosité et elle est fonction de la longueur ainsi que du diamètre de la conduite et des caractéristiques de l'huile visqueuse. On a constaté que la crête de pression qui s'établit pendant le processus de remise en marche suivant la présente invention pouvait être réduite en activant des agents tensio-actifs présents dans l'huile. Cette activation est obtenue en ajoutant des substances alcalines au fluide de faible viscosité. Quand l'eau est utilisée en tant que fluide de faible viscosité, on peut ajouter du silicate de sodium jusqu'à 0,04% environ pour réduire le plus possible la crête de pression. On a constaté en outre que le procédé suivant la présente invention était particulièrement utile pour remettre en marche l'écoulement central d'huiles extra- lourdes et de bitume, c'est-à-dire d'huiles ayant une masse volumique comprise entre 1,02 et 0,96 gramme par centimètre cube environ et des viscosités allant jusqu'à 2000 pascals seconde environ. En outre, le procédé suivant l'invention élimine dans une large mesure les fluctuations de pression importantes dans l'installation 3O et abaisse considérablement les valeurs de la pression de refoulement des pompes 18 et 22. Pour prouver les avantages de la présente invention, on a mis en oeuvre les exemples suivants: EXEMPLE I 2622645 On a remis en marche, en utilisant le procédé suivant la présente invention, l'écoulement central dans une conduite ayant un diamètre de 203mm et une longueur de lkm après une période d'arrêt de 121 heures. On a commencé par injecter de l'eau à la température ambiante et à un débit de l'ordre de 3,7 litres par minute. On a ensuite accru l'écoulement de l'eau à un débit maximal de 59,2 litres par minute. La vitesse d'accroissement a été de 7,4 1/min. On a utilisé une fraction d'eau introduite de 4%. Après que la condition d'état permanent ait été atteinte, on a établi un écoulement de pétrole brut de Zuata ayant une densité de 1,01 et une viscosité de 100 pascals seconde. Le temps d'établissement de l'écoulement central a été de 11 minutes. La fig. 3 est un graphique représentant les variations de la pression en fonction du temps pendant la remise en marche, ce graphique concerne la pression statique à l'entrée de la conduite. L'écoulement central a aussi été remis en marche en mettant en route la pompe d'huile visqueuse 0,5 minute seulement après que la pompe à eau ait atteint la valeur maximale de 42,6 1/min. Si l'on compare les figures 3 et 4, on voit clairement le déroulement sans à-coups du procédé de remise en marche suivant la présente invention. Cette comparaison montre également les différences de pression maximale qui se présentent pendant la remise en marche. EXEMPLE II L'écoulement central a été remis en marche en utilisant le procédé suivant la présente invention dans la même conduite que dans l'exemple I après 97 heures d'arrêt avec un débit d'eau maximal de 88,8 litres par minute et en mettant en route la pompe d'huile visqueuse 3 minutes après. La fig. 5 montre encore le déroulement relativement progressif du processus de remise en marche suivant la présente invention. il Il est clair qu'on a créé conformément à la présente invention un procédé pour remettre en marche l'écoulement central d'huile visqueuse après une longue période d'arrêt qui satisfait pleinement aux buts, moyens et avantages mentionnés précédemment. 12 2622645 REVENDICATIONS 1) Procédé pour remettre en marche l'écoulement central d'huile visqueuse dans une conduite (12) après une interruption de cet écoulement, caractérisé en ce qu'on met en écoulement un fluide de faible viscosité D5 dans une partie d'entrée de la conduite, on accroit progressivement le débit du fluide de faible viscosité jusqu'à ce qu'on atteigne une condition d'état permanent souhaitée, et on met en écoulement de l'huile visqueuse dans la partie d'entrée de la conduite après que le fluide de faible viscosité ait atteint la condition d'état permanent. 2) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'étape d'accroissement progressif comporte l'accroissement du débit du fluide de faible viscosité de façon sensiblement linéaire. 3) Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'étape d'accroissement progressif comporte l'accroissement du débit du fluide de faible viscosité à une vitesse en accord avec l'équation: Q = (Qmax/To)T (1) dans laquelle: Q = accroissement du débit massique du fluide de faible viscosité, Qmax = débit massique maximal du fluide de faible viscosité dans la condition d'état permanent, To = temps correspondant à l'établissement de conditions d'écoulement annulaire avec noyau central, et T = temps écoulé depuis la remise en marche, To pouvant être obtenu à partir de l'équation To KTs 1/2, dans laquelle Ts = temps d'arrêt et K = 0 constante. 4) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'étape d'accroissement comporte l'accroissement du débit du fluide de faible viscosité jusqu'à ce que soit atteinte une vitesse critique requise 13 2622645 pour former un écoulement annulaire du fluide de faible viscosité. ) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte en outre la disposition d'une pompe (18) pour créer l'écoulement d'huile visqueuse dans la conduite (12) et d'un moteur à vitesse variable (20) pour commander le débit de refoulement de cette pompe à huile, l'étape de mise en écoulement comportant la mise en route de cette pompe à huile, et l'accroissement progressif du flux d'huile visqueuse dans la conduite en réglant le moteur à vitesse variable. 6) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte en outre la disposition d'une conduite en dérivation (24) et d'une vanne de commande (26) pour envoyer au moins une partie de l'huile i5 visqueuse dans la conduite (12), et l'accroissement progressif du flux d'huile visqueuse dans la conduite en réglant la vanne. 7) Procédé selon la revendication 1,. caractérisé en ce qu'on active un agent tensio-actif naturel en ajoutant du silicate de sodium au fluide de faible viscosité pour réduire le plus possible la crête de pression formée dans la partie d'entrée de la conduite lors de l'étape d'accroissement du débit du fluide de faible viscosité. 8) Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que le fluide de faible viscosité est constitué d'eau et l'étape d'addition comprend l'addition de moins de 0,04% environ de silicate de sodium à l'eau. 9) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'étape de mise en écoulement du -' fluide de faible viscosité comporte la disposition d'une pompe (22) pour créer l'écoulement du fluide de faible viscosité dans la conduite ainsi que la mise en route de cette pompe, l'étape d'accroissement comportant l'accroissement du débit de la pompe. 14 2622645 ) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'étape d'accroissement comporte l'accroissement du débit du fluide de faible viscosité jusqu'à ce qu'on atteigne une fraction du fluide de faible viscosité et un débit sensiblement égaux à ceux qui existaient dans la conduite (12) avant l'interruption. 11) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'étape de mise en écoulement de l'huile comporte la mise en écoulement d'une huile visqueuse ayant une masse volumique comprise entre 1,02 et 0,96 gramme par centimètre cube environ et une viscosité allant jusqu'à 2000 pascals seconde environ.