Brevet FR2766469A1 — publié le 19990129

PROCÉDÉ DE PRÉVENTION DE LA SÉDIMENTATION DANS LES RÉSERVOIRS DE STOCKAGE DE PÉTROLE BRUT ET INSTALLATION POUR LA MISE EN OEUVRE DE CE PROCÉDÉ La présente invention concerne le stockage du pétrole brut et de ses dérivés, et plus particulièrement un procédé permettant de prévenir la sédimentation dans les réservoirs de stockage, ainsi qu'une installation pour la mise en oeuvre de ce procédé. Dans l'industrie pétrolière, il est de pratique très courante de laisser séjourner le pétrole brut, et/ou ses produits dérivés, dans des cuves de stockage à proximité des sites d'extraction et/ou de raffinage. Ces cuves sont d'énormes cylindres à toit tlottant qui peuvent avoir jusqu'à 100 mètres de diamètre et 10 à 20 mètres de hauteur. Les temps de séjour dans ces cuves sont suftisamment longs pour que se produise une décantation puis une sédimentation des fractions les plus lourdes. Des dépôts, de consistances et de compositions variées, adhèrent et s'accumulent sur le fond des cuves. La couche inférieure du pétrole stocké devient alors de plus en plus dense, jusqu'à former une boue très consistante, appelée "sludge", qui augmente progressivement en épaisseur et qui ne peut être éliminée que par une évacuation manuelle avec intervention de personnels à l'intérieur de la cuve. Cette cuve doit préalablement être entièrement vidée de son contenu liquide. Une telle intervention requiert une installation comportant des trous d'hommes, pour permettre la pénétration des personnels à l'intérieur de la cuve et l'éjection à l'extérieur du sédiment (sludge) ; on doit enfin assurer le stockage et/ou la destruction de ce sédiment, qui est inutilisable. Ces opérations comportent de nombreux inconvénients parmi lesquels - une interruption de l'utilisation de la cuve de stockage, pendant parfois plusieurs mois, - la vidange du liquide surnageant et son stockage nécessaire dans un autre réservoir, - l'ouverture des trous d'hommes, et donc une intervention mécanique sur le bac lui-même, - l'intervention de personnels spécialisés, - des nuisances et des dangers pour les personnels ainsi que pour l'environnement (rejets atmosphériques par la ventilation nécessaire, brûlage ou stockage du sédiment). La composition de cette boue compacte dépend de plusieurs paramètres et principalement, de la composition du pétrole brut stocké, généralement de sa teneur en paraffines et/ou en asphaltènes, des conditions climatiques. notamment des variations de température, du temps de séjour dans la cuve de stockage, des mouvements de remplissage et de vidange de la cuve au cours d'une période d'exploitation et de leur fréquence. La boue renferme également, en quantités variables, des composés minéraux provenant de l'extraction du pétrole ou du bac de stockage lui-même (sables, sels, rouille, etc...). Le sédiment peut atteindre jusqu'à un ou deux mètres de haut, et constitue, avec des conséquences économiques importantes, à la fois une perte de volume de stockage, et une perte de produit brut puisque environ 90 % de la boue provient des constituants du pétrole lui-même. Jusqu'à présent, le seul procédé connu pour évacuer le sédiment autrement que manuellement est celui mentionné dans le brevet EP-B-0 160 805. Dans ce procédé on prévoit de remettre la boue en suspension en générant des mouvements tourbillonnants à l'intérieur de la couche de pétrole qui surmonte la boue. Ces tourbillons sont provoqués par des lances verticales, par lesquelles on injecte du pétrole sous pression. Ces lances verticales sont disposées à la place de quelques-unes des béquilles du toit flottant ; elles sont mobiles verticalement et en rotation autour de leur axe ; elles sont terminées par des buses, également rotatives, de façon à générer le mouvement tourbillonnaire nécessaire pour "refluidifier" la boue. Cette remise en solution ou en suspension de la boue nécessite des pressions importantes (de l'ordre de 10 bars pour le pétrole injecté) pour casser le sédiment dont la consistance est comprise entre celle d'un yaourt très épais et celle d'un bitume. Ce procédé ne résout cependant pas le problème de la mise hors service du réservoir pendant toute la durée de la remise à l'état fluide de la boue, ni de l'entretien fréquent des buses et parties rotatives du dispositif. Par ailleurs, afin de libérer les orifices d'aspiration et de refoulement de trop grandes quantités de sédiment risquant soit de les obstruer, soit de gêner, d'endommager ou même de bloquer les pompes, les parois latérales des réservoirs sont parfois équipées d'agitateurs, du type mélangeurs à hélices. Néanmoins, l'efficacité de tels agitateurs est limitée car, vu le diamètre important du réservoir de stockage (plusieurs dizaines de mètres), ils ne créent pas des turbulences suffisantes pour empêcher le sédiment de s'accumuler dans certaines zones, dites zones "mortes", où l'effet des agitateurs ne se fait plus sentir. Ainsi, on a observé que le dépôt peut atteindre en certains endroits plus d'un mètre de haut. par exemple au centre du bac, si les agitateurs sont répartis à la périphérie, ou d'un seul côté du bac lorsque les agitateurs sont disposés en face, à proximité des orifices d'aspiration et de refoulement. La présence de cette surface irrégulière du sédiment a été à l'origine de plusieurs accidents : des toits flottants ont été déséquilibrés par un "pic" de sédiment au centre du bac lors de leur descente, leur poids faisant alors céder des béquilles et provoquant des tissures dans le toit lui-même. La présente invention a pour but de pallier les inconvénients précités liés à la formation de sédiments dans les bacs de stockage. Elle vise donc à proposer - un procédé et un dispositif permettant non plus d'éliminer les dépôts formés, mais de prévenir la formation des sédiments, - une installation ne mettant en oeuvre que des éléments simples et robustes, ne nécessitant pas d'autre maintenance que celle, courante dans une installation pétrolière, - une mise en route de l'installation ne faisant appel à aucun personnel spécialisé et pouvant être effectuée à distance, - des coûts opérationnels modérés, avec une utilisation optimale de la durée du stockage, sans aucune mise hors service de la cuve. Ces buts sont atteints par un procédé de prévention de la sédimentation dans les réservoirs de stockage de liquides visqueux, tels que le pétrole brut ou ses dérivés, par agitation desdits liquides ; ce procédé est caractérisé par le fait qu'il consiste, avant que la couche inférieure du liquide stocké ne sédimente, a) à prélever une fraction dudit liquide ou un liquide compatible pour constituer, à l'extérieur du réservoir, un flux de brassage que l'on envoie par pompage à la partie supérieure du réservoir de stockage, b) à injecter à fort débit ledit flux de brassage dans le réservoir par de multiples points d'injection fixes répartis dans la couche inférieure du liquide stocké dans ledit réservoir de stockage, de façon à mettre en mouvement l'ensemble du volume du liquide stocké, en évitant la présence de zones mortes dans ledit réservoir de stockage. De préférence, le flux de brassage est prélevé dans la zone inférieure dudit réservoir de stockage, mais il peut aussi être prélevé dans un autre réservoir de stockage. De façon avantageuse, le flux de brassage prélevé est soumis à une filtration avant d'être envoyé par pompage à la partie supérieure du réservoir de stockage. Pour une meilleure agitation du milieu, il est également avantageux que le flux de brassage injecté soit de masse volumique inférieure à la masse volumique du liquide de la couche inférieure du liquide stocké dans le réservoir de stockage, qu'il provienne d'un autre réservoir de stockage, ou de la zone supérieure du liquide stocké, moins " épaisse " . Le procédé selon l'invention peut être mis en oeuvre à des fréquences déterminées en fonction de la nature du produit stocké, ou bien mis en route lorsque la différence de masse volumique dudit liquide entre la couche inférieure et la couche supérieure atteint une valeur prédéterminée à cet effet on effectue préalablement des jaugeages et des prélèvements, de préférence à intervalles réguliers, pour mesurer cette différence de masse volumique Le débit du liquide injecté doit être suffisamment fort pour ne pas laisser subsister de zone "morte" dans le liquide stocké, c'est-àdire pour empêcher l'épaississement, la décantation puis la sédimentation des fractions les plus lourdes dudit liquide, à cet effet le débit horaire d'injection peut avantageusement être compris entre 0,005 et 0,02 fois le volume du liquide stocké dans le réservoir de stockage, par exemple environ 500 m3/h pour un réservoir de 80 000 m3 contenant 50 000 m3 de liquide stocké. La présente invention a également pour objet une installation, de type classique, pour le stockage d'un grand volume de liquide visqueux, notamment du pétrole brut ou de ses dérivés, comprenant, d'une part, un réservoir cylindrique, surmonté d'un toit flottant muni de béquilles verticales, lesdites béquilles étant des cylindres creux dont l'extrémité inférieure est fermée, et d'autre part, au moins une pompe pour évacuer hors du réservoir le liquide stocké, ladite installation étant destinée à la mise en oeuvre du procédé selon l'invention, caractérisée par le fait que l'extrémité supérieure d'au moins certaines des béquilles communique avec au moins une canalisation disposée au-dessus du toit flottant, l'ensemble desdites canalisations permettant de distribuer et de répartir dans les béquilles ainsi équipées le flux de brassage, lesdites béquilles ainsi équipées étant chacune percée d'au moins un orifice latéral situé au-dessus de leur extrémité inférieure, ledit orifice latéral permettant d'injecter ledit flux de brassage dans la couche inférieure du liquide stocké dans le réservoir. Les béquilles ont alors une triple fonction : le soutien du toit flottant lorsque le réservoir est vide ou presque vide (fonction de base connue) par appui sur le fond du réservoir, le transport du flux de brassage jusqu'au point d'injection, et l'injection dudit flux de brassage dans le liquide stocké. On peut prévoir que les béquilles soient susceptibles de coulisser dans des manchons tubulaires fixés au toit flottant pour que leur position par rapport au toit flottant soit réglable afin de permettre une descente plus ou moins grande du toit flottant et un positionnement optimal de leurs orifices latéraux compte-tenu de l'état de remplissage du réservoir. De manière avantageuse, les canalisations disposées au sommet du réservoir comportent deux canalisations en demi-cercles qui sont reliées d'une part à une conduite verticale de refoulement de la pompe et d'autre part aux béquilles par des tuyaux flexibles souples. Les béquilles utilisées dans la présente invention ont les mêmes diamètres que les béquilles conventionnelles et sont conçues de manière à assurer une égale résistance et une sécurité identique, tout en étant plus longues. Afin de diriger le liquide injecté vers le bas du réservoir, l'(es) orifice(s) latéral(ux) de chaque béquille fait (font) un angle non nul avec l'horizontale. De manière préférée, les orifices latéraux sont au nombre de trois, les projections de leurs axes sur un plan horizontal faisant entre elles un angle de 1200 et lesdits orifices sont situés à une distance d'environ 30 à 80 cm de l'extrémité inférieure de la béquille. Dans le cas d'un réservoir de stockage de produit pétrolier comportant un toit flottant, aucune modification de la structure de base du réservoir n'est nécessaire pour la mise en oeuvre de l'invention. Les béquilles selon l'invention utilisent les emplacements des béquilles classiques, avec une disposition régulière dans l'ensemble du volume de stockage. De plus, cette installation selon l'invention présente les avantages suivants - aucun montage ou démontage extérieur ou intérieur du réservoir n'est nécessaire lors de la mise en route de l'agitation, qui peut être commandée à distance et même programmée en fonction de la nature du produit stocké - aucune mise hors service, donc aucune interruption, même courte, de l'exploitation du réservoir; - l'appareillage permettant l'agitation est fixe (aucun pièce rotative) et ne nécessite donc pas de maintenance particulière - une telle installation réduit considérablement les nuisances et les dangers pour le personnel et pour l'environnement (pas de vapeurs supplémentaires, pas de problème de destruction et/ou de stockage de la boue, puisque celle-ci ne se forme plus) - une filtration éventuellement placée à la sortie du réservoir permet de retenir les solides/particules non organiques et eux seuls. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront suite à la description ci-dessous, donnée à titre d'exemple non limitatif en se référant aux dessins annexés sur lesquels - les figures 1 et 2 présentent des "cartographies" des sédiments observés dans deux bacs munis d'agitateurs à hélices latéraux - les figures 3 et 4 présentent d'autres exemples de "cartographies" de réservoirs munis d'agitateurs mécaniques latéraux, cités dans le brevet EP-B-0 160 805 - la figure 5 présente le schéma en coupe longitudinale d'une béquille selon l'invention en appui sur le fond du réservoir, selon V-V de la figure 5a et la figure 5a une vue en coupe de la partie inférieure de la béquille selon la ligne Va-Va de la figure 5 - la figure 6 représente une vue générale en perspective d'une installation selon l'invention et la figure 7 un schéma des jets de brassage obtenus - et les figures 8 et 9 présentent des vues de dessus d'installations selon l'invention dans deux cas de pompage différents. Les dessins annexés ne sont que des schémas destinés à une meilleure compréhension de l'invention, les différents éléments ne sont donc pas représentés dans les proportions réelles les uns par rapport aux autres. Les figures 1 à 4 présentent des exemples de "cartographies" de hauteurs (en mètres) de sédiments de pétroles bruts rencontrés avec les procédés de l'Art Antérieur utilisant des agitateurs placés sur les parois latérales de réservoirs cylindriques 1 de différents diamètres. Sur l'exemple de la figure l, six agitateurs à hélices 2 sont répartis sur les parois latérales d'un réservoir de stockage de pétrole brut de 80 000 m3. On note que les sédiments se sont accumulés au centre du réservoir jusqu'à une hauteur de 1,80 m. La figure 2 se rapporte à un réservoir plus petit, de diamètre 45 m avec seulement 3 agitateurs à hélices 2 : les sédiments s'accumulent dans plusieurs zones "mortes" à des hauteurs pouvant atteindre 2 mètres. Le brevet EP-B-0 160 805 cite des exemples similaires, présentés sur les figures 3 et A, pour des réservoirs de stockage respectivement de 100 mètres et 85 mètres de diamètre. On remarque que les orifices d'aspiration 3a et de refoulement 3b sont relativement protégés de quantités trop importantes de sédiment (seulement 0,20 0,25 m), mais que ni des agitateurs répartis à la périphérie du réservoir (figure 3), ni sur un seul côté (figure 4) ne permettent d'empêcher la formation de dépôts importants. L'installation de la présente invention utilise des béquilles 4 du type de celle présentée en coupe (non à l'échelle) sur la figure 5. La béquille 4 proprement dite est un tube métallique cylindrique de diamètre interne 63 mm et externe 75 mm, qui coulisse verticalement dans un manchon 5 cylindrique prévu dans le toit 6 et peut être retenue, selon la hauteur souhaitée, dans ce manchon par des clavettes 7. La partie supérieure de la béquille 4 est reliée, via un raccord 8 en forme d'entonnoir renversé, à un tuyau flexible 9 d'arrivée du liquide "de brassage" (voir aussi la figure 6 ci-après). Le sommet de la béquille est coiffé d'un capuchon 20 amovible, destiné à la préserver des intempéries et de la corrosion. La base de ladite béquille 4 est fermée, plane, pour reposer sur le fond 10 du réservoir de stockage. La partie inférieure de la béquille 4 est percée, dans l'exemple présenté, de trois orifices latéraux 11, dont les axes font un angle non nul avec l'horizontale, de manière à diriger le flux de liquide 12 vers le tond 10 du réservoir. Comme présenté sur la figure Sa, les 3 orifices 1 1 sont disposés pour faire entre eux un angle de 130" ; ils permettent donc d'injecter le liquide dans 3 directions différentes. Leur diamètre est compris entre 10 mm et 20 mm environ. La vue générale de l'installation selon l'invention présentée à la figure 6 permet d'expliquer le fonctionnement du procédé de prévention de la sédimentation. Le liquide stocké, ici du pétrole brut, est pompé en bas du réservoir cylindrique 1 (flèche a) et refoulé (flèche b) via une canalisation verticale 13 jusqu'au sommet du réservoir 1 où il est réparti dans deux canalisations semi-circulaires 14 disposées à la périphérie supérieure du réservoir 1. Ces deux canalisations 14 permettent de distribuer le pétrole brut aux béquilles 4 par l'intermédiaire des tuyaux flexibles souples 8 auxquelles elles sont raccordées. La section de chaque tuyau flexible 8 est choisie en fonction du débit souhaité. Des doubles vannes, placées sur les raccordements canalisations 14/tuyau flexible 8 et tuyaux flexible 8/sommet de la béquille 4 permettent de vider et de détacher séparément chaque béquille si besoin. La mise en route peut être commandée à distance1 à des temps prédéfinis, ou en fonction des résultats des prélèvements effectués à intervalles réguliers dans les couches inférieures et supérieures. Par exemple, si l'on repère une augmentation de masse volumique considérée comme significative d'un épaississement du pétrole brut stocké (par exemple 0,849 dans la couche supérieure et 0,860 dans la couche intérieure) on déclenche le procédé de circulation du pétrole via les béquilles, assurant ainsi l'agitation de la couche inférieure et donc le mélange des couches inférieure et supérieure. Un débit élevé est nécessaire : sous une pression d'environ 6 à 7 bars, de bons résultats ont été observés avec un débit de l'ordre de 500 m3/h. Le dispositif selon l'invention peut être aisément adapté aux installations de stockage de pétrole existantes. Les béquilles classiques sont de préférence remplacées par des béquilles 4 plus longues, en utilisant avantageusemcnt tous les emplacements possibles du toit 6 (ouvertures préexistantes avec manchons). Les mêmes canalisations d'aspiration et de refoulement en bas du réservoir l sont utilisées, ainsi que la pompe correspondante, si elle peut fournir un débit et une pression suffisante. I1 est également possible d'intercaler, sur le circuit de recirculation du pétrole, entre le point d'aspiration et la pompe, un filtre permettant d'éliminer la majeure partie des éléments non organiques, qui en raison de leurs poids se seraient dQiâ déposés dans le fond du bac de stockage. La figure 7 présente un schéma des jets de brassage issus des orifices 11 des béquilles 4 dans un bac 1 de 25 m de diamètre, créant des turbulences dans l'ensemble du bac l. La distance entre les béquilles est d'environ 5 à 6 m. Les figures 8 et 9 présentent deux exemples possibles d'alimentation de la canalisation verticale 13. Dans le premier exemple (figure 8), les pompes propres à l'installation pétrolière préexistante délivrent un débit suffisant au sommet du bac 1, sous la pression requise, compte tenu du nombre de béquilles "d'injection" 4 mises en place. Dans ce cas, du pétrole brut contenu dans le réservoir 1 est pompé au fond du bac par la canalisation 15 d'aspiration existante (non modifiée), selon la flèche a, puis ce même pétrole, ou un pétrole de composition identique ou similaire et compatible, issu d'un bac voisin, est refoulé par la canalisation de refoulement 16 selon la flèche b dans la canalisation verticale 13. Ce pétrole est ensuite distribué, au sommet du réservoir l dans les deux canalisations semi-circulaires 14, puis les tuyaux flexibles 8 jusqu'aux béquilles "d'injections" 4. Un filtre F peut être placé sur la canalisation d'aspiration 15. Dans le second exemple (figure 9), les pompes propres à l'installation pétrolière préexistante sont insuffisantes pour délivrer les flux requis, en volume et en pression. Dans ce cas, on interpose, entre la canalisation d'aspiration 15' et la canalisation verticale 13 une pompe P' délivrant le flux requis, précédée ou non d'un filtre F', la canalisation de refoulement 16' d'origine n'étant utilisée que pour introduire dans les béquilles "d'injections" 4 un pétrole pris par exemple dans un bac voisin. Bien que l'invention soit décrite en référence à une utilisation dans le domaine du pétrole et de ses dérivés, elle n'y est nullement limitée et englobe au contraire toutes les variantes de forme et d'exécution dans le cadre défini par les revendications en particulier, l'invention s'applique au stockage des liquides à viscosité élevée et/ou donnant lieu à des précipitations indésirables plus ou moins abondantes, notamment dans le domaine de l'industrie pétrolière, parapétrolière ou chimique. REVENDICATIONS i - Procédé de prévention de la sédimentation dans un réservoir de stockage de liquide visqueux, caractérisé par le fait qu'il consiste, avant que la couche inférieure du liquide stocké ne sédimente, a) à prélever une fraction dudit liquide ou un liquide compatible pour constituer, à l'extérieur du réservoir, un flux de brassage que l'on envoie par pompage à la partie supérieure du réservoir de stockage, b) à injecter à fort débit ledit flux de brassage dans le réservoir par de multiples points d'injection fixes répartis dans la couche inférieure du liquide stocké dans ledit réservoir de stockage, de façon à mettre en mouvement l'ensemble du volume du liquide stocké, en évitant la présence de zones mortes dans ledit réservoir de stockage. 2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le flux de brassage est prélevé dans la zone inférieure dudit réservoir de stockage. 3 - Procédé selon la revendication 2, caractérisé par le fait que le flux de brassage prélevé est soumis à une filtration avant d'être envoyé par pompage à la partie supérieure du réservoir de stockage. 4 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le flux de brassage injecté a une masse volumique inférieure à la masse volumique du liquide de la couche inférieure du liquide stocké dans le réservoir de stockage. 5 - Procédé selon l'une des revendications I à 4, caractérisé par le fait que le liquide stocké est un pétrole brut. 6 - Procédé selon l'une des revendications l à 5, caractérisé par le fait qu'on mesure à intervalles réguliers, la différence de masse volumique dudit liquide stocké entre sa couche inférieure et sa couche supérieure, et, lorsque cette différence atteint une valeur prédéterminée, on met en oeuvre les étapes a) et b) du procédé. 7 - Procédé selon l'une des revendications I à 6, caractérisé par le fait que le débit horaire du tlux de brassage est compris entre 0,005 et 0,02 fois le volume du liquide stocké dans le réservoir de stockage. 8 - Installation pour le stockage d'un grand volume de liquide visqueux, notamment du pétrole brut ou de ses dérivés, comprenant, d'une part1 un réservoir cylindrique (l), surmonté d'un toit flottant (6) muni de béquilles (4) verticales, lesdites béquilles étant des cylindres creux dont l'extrémité inférieure est fermée, et d'autre part, au moins une pompe pour évacuer hors du réservoir (1) le liquide stocké, ladite installation étant destinée à la mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendication 1 à 7, caractérisée par le fait que l'extrémité supérieure d'au moins certaines des béquilles (4) communique avec au moins une canalisation (14) disposée au-dessus du toit flottant (6), l'ensemble desdites canalisations (lA) permettant de distribuer et de répartir dans les béquilles (4) ainsi équipées le flux de brassage, lesdites béquilles (4) ainsi équipées étant chacune percée d'au moins un orifice latéral (11) situé au-dessus de leur extrémité inférieure, ledit orifice latéral (ll) permettant d'injecter ledit flux de brassage dans la couche inférieure du liquide stocké dans le réservoir (1). 9 - Installation selon la revendication 88 caractérisée par le fait que les béquilles (4) sont fixées au toit flottant (6) par des manchons (5) tubulaires dans lesquels elles sont susceptibles de coulisser. 10 - Installation selon l'une des revendications 8 ou 9, caractérisée par le fait que les canalisations (14) disposées au-dessus du toit flottant (6) du réservoir (1) comportent deux canalisations en demicercles qui sont reliées. d'une part, à une conduite verticale (13) de refoulement de la pompe et, d'autre part, aux béquilles (4) par des tuyaux flexibles souples (8). il - Installation selon l'une des revendications 8 à 10, caractérisée par le fait que l'(es) orifice(s) latéral(ux) (il) de chaque béquille (4) fait (font) un angle non nul avec l'horizontale pour diriger le liquide injecté vers le bas du réservoir (1). 12 - Installation selon l'une des revendications 8 à 11, caractérisée par le fait que les orifices latéraux (11) sont au nombre de trois, les projections de leurs axes sur un plan horizontal faisant entre elles un angle de 1200 environ.