Brevet FR2879282A1 — publié le 20060616

La présente invention concerne le domaine du transport par conduites d'hydrocarbures pour l'exploitation de gisements pétroliers. Dans le cas de pétroles bruts de type paraffinique, les exploitants doivent faire face au risque d'un arrêt de circulation dans la conduite qui peut conduire, notamment en fonction du temps d'arrêt et de conditions de température défavorables, à une certaine "solidification", ou gélification du brut dans la conduite. Dans ce cas, il est clair que les conditions de redémarrage de la circulation peuvent conduire à des pressions extrêmement délicates à gérer avec les installations locales. Pour éviter, ou limiter, ce risque de difficulté de redémarrage, on peut être amené à vider les conduites des hydrocarbures paraffiniques pour les remplacer par des fluides simples. Cette opération conduit à des pertes de temps de production considérables. On peut aussi être conduit à dimensionner les conduites, ou à prévoir des isolations et/ou chauffage thermique des conduites pour augmenter le temps disponible pour un arrêt de circulation. Les estimations actuelles des pressions de redémarrage peuvent conduire à investir inutilement dans des installations de vidange, de conduites de pompage, d'isolation thermique, de chauffage, et/ou à pratiquer des vidanges inutiles (si on peut la pratique). il faut noter que dans le cas général, il est rare de pouvoir vidanger une conduite de production. Cela est possible pour un arrêt prévu et si on a les moyens adéquats, mais cela est plus rarement possible dans les cas imprévisibles. La présente invention propose une nouvelle méthode pour prévoir les conditions du redémarrage des écoulements de bruts paraffiniques dans les conduites. Cette méthode comporte à la fois des étapes expérimentales et étapes de calculs numériques. La présente invention concerne une méthode d'estimation des conditions de redémarrage de l'écoulement d'un hydrocarbure paraffinique dans une conduite, dans laquelle on effectue les étapes suivantes: a) on choisit un modèle rhéologique adapté à la nature de l'hydrocarbure paraffinique, b) on détermine les champs de température et de contrainte de cisaillement au sein de l'écoulement stationnaire de l'hydrocarbure, selon l'axe de la conduite, c) on évalue les échanges thermiques conductifs en phase d'arrêt de circulation, à partir des températures en écoulement stationnaire et du temps d'arrêt pris en compte, d) on sélectionne différentes sections de la conduite, et on relève les scénarios thermo-mécaniques subis par l'hydrocarbure dans ces sections, 1 o e) on effectue expérimentalement les mesures des paramètres rhéologiques dudit modèle sur un échantillon dudit hydrocarbure, selon chacun desdits scénarios, f) on prend en compte lesdites mesures expérimentales pour évaluer la valeur de la pression qui remet en circulation l'hydrocarbure paraffinique dans la conduite. Selon la méthode, on peut choisir le modèle rhéologique de "Houska". Dans l'étape b), la détermination des champs de température et de contrainte en écoulement stationnaire dans la conduite, peut se faire de préférence par calculs mono dimensionnels. Dans l'étape d), on peut sélectionner des sections dans la zone de refroidissement statique et dans la zone de refroidissement dynamique. Les scénarios peuvent comprendre: les températures initiale et finale, la vitesse de refroidissement, le taux de cisaillement en circulation stationnaire. On peut évaluer la compressibilité de l'hydrocarbure en écoulement, et ladite évaluation de la compressibilité peut être faite à la température finale pour les différents scénarios. Dans l'étude du redémarrage des écoulements de bruts paraffiniques, les principales questions peuvent être: É Quelles est la pression minimale de redémarrage ? É Quels sont les temps nécessaires pour vidanger la conduite et pour retrouver des conditions stationnaires d'écoulement ? La principale difficulté concerne le comportement complexe des bruts paraffiniques: propriétés rhéologiques non-newtoniennes, thermodépendantes et thixotropes et compressibilité. Grâce aux connaissances et à l'expérience accumulées par la demanderesse au cours des dernières années, certains points particuliers peuvent être soulignés: É D'un point de vue expérimental, il est important d'avoir la capacité de caractériser le brut d'un point de vue rhéologique dans des conditions proches de celles rencontrées sur le champ. Pour cela, il faut étudier notamment l'historique thermique, l'historique mécanique, les temps d'arrêt, afin de fournir des paramètres du modèle rhéologique considéré représentatifs du cas étudié. É L'importance de l'état intial du brut dans la conduite au moment du redémarrage. Ainsi, il est nécessaire de décrire précisément la phase d'arrêt pour garantir une étude correcte de la phase de redémarrage. É D'un point de vue numérique, il faut vaincre les difficultés mathématiques en relation avec la prise en compte d'un fluide à seuil, thixotrope, thermodépendant dans la simulation d'un écoulement compressible avec interface fluide/fluide. La nouvelle méthode proposée peut être décrite en 7 étapes: étapes expérimentales combinées à des étapes numériques basées sur une analyse et une compréhension complète des phases d'arrêt et de redémarrage. Ces étapes sont détaillées ci-après, illustrées par les figures suivantes: la figure 1 illustre la chronologie des évènements dans la conduite, - la figure 2 montre le refroidissement pendant la phase d'arrêt. ETAPE 1: Choix du modèle rhéologique décrivant le brut et détermination de ses paramètres rhéologiques: Une fois le type de modèle rhéologique choisi, on détermine expérimentalement les paramètres rhéologiques de l'hydrocarbure en question. Ces paramètres sont ensuite utilisés dans les calculs thermiques de l'étape 2 En particulier, il a été développé une technique de mesures fiable et précise pour la détermination des paramètres du modèle rhéologique de Houska, défini par: D Z=( 0+Àr 1)IDII+2(k+.lAk)"D (1) D) = a( 2) b2m (2) avec: a = tenseur des contraintes D= tenseur des taux de déformation = taux de cisaillement généralisé 11.11= norme tensorielle D/Dt = dérivée lagrangienne et les paramètres de Houska sont: zyo = contrainte seuil permanente zy, = contrainte seuil thixotrope k= viscosité permanente Ak = viscosité thixotrope n= indice de rhéofluidification a= paramètre de reprise du gel b= paramètre de déstructuration du gel m= paramètre d'ajustement de la vitesse de déstructuration On considère que le modèle de Houska, qui correspond à un modèle de fluide à seuil généralisé (équation (1)) couplé avec une équation d'un paramètre de structure (équation (2)) pour décrire la thixotropie, est le plus approprié pour la description du comportement des bruts paraffiniques. On utilisera donc de préférence ce modèle. ETAPE 2: Description de l'écoulement stationnaire: D'un point de vue chronologique, la description précise de l'état initial du brut dans la conduite nécessite la description de la phase d'arrêt, qui elle-même nécessite la description de l'écoulement stationnaire, comme illustré sur la figure 1 qui montre l'évolution de la température moyenne TM en fonction du temps t. La zone 1 correspond à l'écoulement stationnaire, la zone 2 au temps d'arrêt de l'écoulement, et la zone 3 au redémarrage. C'est au point référencé 4 que l'on considère l'état initial du brut au redémarrage. C'est au point référencé 4 que l'on considère l'état initial du brut au redémarrage. Afin de prendre en compte l'histoire thermomécanique complète du brut, il faut, dans un premier temps, étudier l'écoulement stationnaire. A l'aide de calculs mono, et/ou bidimensionnels, d'écoulement et de transferts thermiques, on obtient le profil des champs de température et de contraintes de cisaillement en écoulement stationnaire selon l'axe de la conduite. Ces calculs correspondent à la simulation numérique d'un écoulement de fluide à seuil thermo- dépendant. La convection et la conduction thermiques en écoulement sont prises en compte dans l'équation de l'énergie. Les conditions aux limites en température à la paroi externe de la conduite sont celles du champ. Les calculs bidimensionnels prennent en compte les variations radiales de toutes les grandeurs physiques, notamment la contrainte seuil. Ces calculs sont relativement longs et ne sont envisagés que pour des conduits de faible longueur. On privilégiera les calculs monodimensionnels qui permettent de considérer les conditions de longueur quelconque. ETAPE 3: Calculs thermiques pendant la phase d'arrêt On réalise des calculs thermiques bidimensionnels sans écoulement afin d'obtenir l'évolution de la température dans la conduite pendant la phase d'arrêt, comme montré sur la figure2. Seuls les échanges thermiques conductifs sont considérés (la convection naturelle, généralement faible dans ce cas de brut, n'est pas prise en compte). A nouveau, les conditions aux limites en température à la paroi externe de la conduite sont celles du champ. Sur la figure 2, on a représenté en fonction de la longueur 1 de la conduite, les courbes de température du brut dans la conduite, à partir de l'arrêt de circulation. Te est la température externe, Twat la température de l'apparition des cristaux de paraffine. La courbe 5 donne la température dans la conduite au moment de l'arrêt, soit la température de l'écoulement stationnaire obtenue à l'étape 2. La zone 6 pour laquelle la température du brut est, au moment de l'arrêt, supérieur à Twat est désignée comme zone de refroidissement statique. La zone 7 dans laquelle la température du brut est déjà inférieure à Twat au moment de l'arrêt, est une zone à refroidissement dynamique. Les autres courbes 5', et 5" représentent l'évolution des températures en fonction du temps d'arrêt, comme symbolisé par la flèche 8. ETAPE 4: Sélection des scénarios thermomécaniques Grâce aux calculs d'évaluation des profils de température de l'étape 3, on sélectionne un certain nombre de sections (par exemple S 1) à différents points de la conduite, dans lesquelles on prend en compte les scénarios thermomécaniques représentatifs (température finale dans la conduite (Tfl) , vitesse de refroidissement, refroidissement statique (Til) ou dynamique) . Les sections où le brut s'écoulait à une température supérieure à la température d'apparition des cristaux de paraffine (Twat) puis est refroidi à une température inférieure à la Twat au repos sont représentatives d'un refroidissement statique. Les sections où le brut s'écoulait à une température inférieure à la température d'apparition des cristaux de paraffine (Twat) (le brut est refroidi sous écoulement) sont représentatives d'un refroidissement dynamique. ETAPE 5: Caractérisation expérimentale La caractérisation expérimentale du comportement du brut est réalisée dans les conditions décrites par les scénarios thermomécaniques considérés dans chacune des sections choisies. Un échantillon de fluide est cisaillé d'une manière correspondante à l'écoulement stationnaire, à la température initiale à l'arrêt (exemple Til). Puis, il est refroidi à la vitesse de refroidissement correspondant au scénario, jusqu'à attendre la température finale (Tfl). Par cette procédure, on mesure les paramètres rhéologiques du modèle rhéologique sélectionné. Cette façon de procéder garantit que les paramètres rhéologiques sont mesurés dans des conditions similaires à celles sur champ, sur toute la longueur de la conduite. D'autre part, on mesure expérimentalement la contraction volumique du brut une fois refroidi à la température finale. Cela permet d'évaluer la compressibilité. du fluide, paramètre du modèle de redémarrage. ETAPE 6: Description de l'état initial au redémarrage Comme indiqué précédemment, l'étude précise de la phase de redémarrage repose sur une description fiable de l'état du brut dans la conduite, c'est-à- dire du brut au moment du redémarrage. ETAPE 7: Modèle 1D de redémarrage Un modèle numérique 1 D de redémarrage simule la phase de redémarrage à partir d'un état initial du brut dans la conduite. Les calculs sont isothermes et modélisent la vidange de la conduite remplie de brut gélifié par l'injection d'un autre fluide, par exemple, un fluide à disposition dont le mode d'écoulement est proche de l'écoulement newtonien (eau, brut chaud, gazole,...). Pour une pression d'entrée, le modèle 1 D permet de déterminer si l'écoulement redémarre ou non. Dans le cas où il redémarre, on détermine les temps nécessaires pour vidanger la conduite et pour retrouver des conditions stationnaires d'écoulement. En ce qui concerne la possibilité de redémarrer ou non, cela signifie que par dichotomie, à l'aide de plusieurs calculs, l'utilisateur peut rapidement déterminer la pression minimale pour redémarrer l'écoulement, quel que soit l'état initial et sans l'ajout d'aucune autre équation (comme la relation Ap = 4r L / D, connue pour surestimer la pression de redémarrage). Le modèle 1D tient compte de toutes les caractéristiques du problème isotherme: fluide à seuil, thixotropie, compressibilité et interface fluide/fluide. La modélisation ID permet de considérer des conduites de longueur quelconque. La topographie du terrain sur lequel repose la conduite n'est pas prise en compte dans le modèle mais peut indirectement orienter le choix des sections de conduite dans l'étape (les points de la conduite à haute altitude sont généralement synonymes de basses températures externes et inversement). La méthode selon l'invention fournit un cadre cohérent basé sur une compréhension fine des différents phénomènes qui apparaissent lors de l'arrêt/redémarrage d'un pipeline rempli de brut paraffinique et comporte des volets expérimentaux et numériques qui interfèrent et se combinent. Le but final de la méthode est de pouvoir fournir une meilleure estimation de la pression et des temps de redémarrage. REVENDICATIONS 1) Méthode d'estimation des conditions de redémarrage à l'écoulement d'un hydrocarbure paraffinique dans une conduite, dans lequelle on effectue les étapes suivantes: a) on choisit un modèle rhéologique adapté à la nature de l'hydrocarbure paraffinique, b) on détermine les champs de températures et de contrainte de cisaillement au sein de l'écoulement stationnaire de l'hydrocarbure, selon l'axe de la conduite, c) on évalue les échanges thermiques conductifs en phase d'arrêts de circulation, à partir des températures en écoulement stationnaire et du temps d'arrêt pris en compte, d) on sélectionne différentes sections de la conduite, et on relève les scénarios thermo- mécaniques subis par l'hydrocarbure dans ces sections. e) on effectue expérimentalement les mesures des paramètres rhéologiques dudit modèle sur un échantillon dudit hydrocarbure, selon chacun desdits scénarios, f) on prend en compte lesdites mesures expérimentales pour évaluer la valeur de la pression qui remet en circulation l'hydrocarbure paraffinique dans la conduite. 2) Méthode selon la revendication 1, dans laquelle on choisit le modèle rhéologique de "Houska". 3) Méthode selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle à l'étape b) la détermination desdits champs se fait par calculs mono dimensionnels. 4) Méthode selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle à l'étape d) on sélectionne des sections dans la zone de refroidissement statique et dans la zone de refroidissement dynamique. 5) Méthode selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle lesdits scénarios comprennent: les températures initiale et finale, la vitesse de refroidissement, le taux de cisaillement en circulation stationnaire. 6) Méthode selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle on évalue la compressibilité de l'hydrocarbure en écoulement. 7) Méthode selon la revendication 6, dans laquelle l'évaluation de la compressibilité est faite à la température finale pour les différents scénarios.