Brevet FR2878018A1 — publié le 20060519

La présente invention s'applique au transport de produits visqueux dans une conduite par un écoulement en régime de lubrification pariétale et concerne une méthode pour limiter les pressions de redémarrage nécessaires à la mise en circulation du produit visqueux. L'écoulement en régime de lubrification pariétale est communément dénommé "Core-Annular Flow" (CAF) dans la profession. En particulier, la méthode peut s'appliquer lors du transport d'huiles lourdes par écoulement en régime de lubrification pariétale, pour bloquer les déplacements transverses d'huile lors des phases d'arrêt de circulation. État de la technique Le transport de fluides de grande viscosité représente encore aujourd'hui un enjeu technologique majeur. On peut citer par exemple le transport, dans une conduite, d'huiles lourdes ou extra lourdes, ou encore de bitumes. Pour ce faire, les puissances de pompage requises pour mettre l'huile en circulation dans la conduite peuvent être considérables, voire prohibitives. L'utilisation de la technique de l'écoulement en régime de lubrification pariétale, couramment appelé "Core-annular flow" par les spécialistes, permet d'obtenir une réduction importante de ces puissances de pompage. Elle est décrite par exemple dans le document suivant: Joseph D.D, Chen K.P., Y.Y. Renardy, (1997), "Core Annular Flows", Ann. Rev. Fluid Mech., Volume 29, p 65 Le régime d'écoulement de lubrification pariétale est un régime d'écoulement diphasique en conduite qui repose sur l'injection dans la conduite d'un fluide peu visqueux, par exemple aqueux, de manière à produire un écoulement annulaire. Le fluide à transporter, généralement plus visqueux, tel que l'huile, est confiné au coeur de la conduite tandis que le fluide injecté s'écoule en un film périphérique. Le fluide injecté agit comme un lubrifiant en réduisant le frottement pariétal du fluide visqueux à transporter et il contribue ainsi à diminuer fortement les pertes de charges nécessaires au transport. Cependant, dans un contexte industriel, de nombreux facteurs peuvent déstabiliser le film annulaire. On peut citer par exemple les phases d'arrêt de circulation nécessaire dans de nombreux domaines, comme le transport de bruts dans l'industrie pétrolière. La méthode propose d'agir sur la nature du fluide constituant le film annulaire pour transporter un produit visqueux en régime d'écoulement de lubrification pariétale. Ainsi l'invention concerne une méthode pour transporter un produit visqueux dans une conduite. Cette méthode comporte la mise en circulation dudit produit à l'aide de moyens de pompage et l'injection d'un fluide dans ladite conduite pour créer une couche lubrifiante entre sa paroi et ledit produit visqueux, tel qu'en circulation on est en régime d'écoulement de lubrification pariétale. La méthode se caractérise en ce que le fluide injecté est un fluide présentant un seuil d'écoulement de valeur déterminée (fluide à seuil). Ce seuil d'écoulement peut être déterminé en évaluant une contrainte seuil d'écoulement minimale à partir de caractéristiques géométriques de ladite conduite (diamètre, ...) et de caractéristiques physiques dudit produit visqueux (masse volumique,...). Selon l'invention, le fluide à seuil peut être un mélange d'eau et d'additifs en quantité suffisante pour fournir audit mélange des propriétés rhéofluidifiantes avec un seuil déterminé. Ces additifs peuvent par exemple être des polymères hydrosolubles synthétiques, des polymères hydrosolubles naturels, des polymères associatifs ou toutes associations entre ces différents polymères. Et plus particulièrement, on peut choisir ce type d'additifs parmi les polymères suivants: polysaccharides, gommes xanthane, alginates, amidons, guars, pectines, ainsi que leurs dérivés. Ces additifs peuvent également être de l'argile telle que les montmorillonites et les laponites. Enfin, ces additifs peuvent également être un mélange de tous ces différents additifs. La quantité d'additifs peut être déterminée en fonction de la masse volumique dudit produit visqueux. Cette quantité peut également être déterminée en fonction des moyens de pompage de mise en circulation dudit produit visqueux. L'invention concerne également un système de transport d'un produit visqueux comportant des moyens de pompage pour la mise en circulation dudit produit, des moyens d'injection d'un fluide de manière à créer une couche lubrifiante entre la paroi de ladite conduite et ledit produit visqueux, tel qu'en circulation le régime d'écoulement est en lubrification pariétale. Ce système se caractérise en ce que le fluide injecté est un fluide à seuil. D'autres caractéristiques et avantages de la méthode selon l'invention, apparaîtront à la lecture de la description ci-après d'exemples, non limitatifs, de réalisations, en se référant aux figures annexées et décrites ci-après. Présentation succincte des figures - les figures lA et 1B montrent un schéma de répartition des phases liquides pour un écoulement en CAF en phase d'écoulement (figure 1A) et à l'arrêt (figure 1B) ; - la figure 2 illustre l'équilibre des forces à l'arrêt; - la figure 3 montre l'évolution de la contrainte seuil en fonction de la masse volumique du brut lourd pour deux diamètres typiques de "pipeline" ; - la figure 4 illustre la rhéologie du fluide aqueux additionné au polymère Xanthane; la figure 5 montre l'évolution de la viscosité apparente à 100 s-' en fonction de la concentration en Xanthane. - la figure 6 illustre la rhéologie du fluide aqueux additionné à un polysaccharide. Description détaillée de la méthode L'utilisation de la technique de l'écoulement en régime de lubrification pariétale, permet d'obtenir une réduction importante des puissances de pompage requises pour transporter un fluide visqueux dans une conduite. Cependant, les phases d'arrêt de circulation, nécessaires dans de nombreux domaines industriels, déstabilisent le film annulaire. En effet, lors de ces phases, la différence de densité entre les deux fluides (celui du film annulaire (FNV) et celui du centre (FV)) provoque un déplacement transverse du fluide visqueux et donc une stratification au sein de la conduite (C), comme l'illustre les figures lA (en écoulement) et 1B (à l'arrêt). Le régime d'écoulement de lubrification pariétale cède sa place à un régime de stratification. Ainsi, l'arrêt de circulation conduit au passage d'un régime d'écoulement de lubrification pariétale à un régime d'écoulement stratifié, ce qui entraîne une augmentation des pressions de redémarrage, car il est alors nécessaire de cisailler la partie très visqueuse, conduisant à des contraintes de paroi très fortes. Pour améliorer le transport de produits visqueux en régime d'écoulement de lubrification pariétale, la méthode propose d'agir sur la nature du fluide constituant le film annulaire. La méthode comporte l'utilisation de fluide à seuil dans la couche lubrifiante. Un fluide à seuil est un fluide au comportement particulier dans la mesure où sa rhéologie présente une contrainte seuil d'écoulement: si la contrainte appliquée au fluide est inférieure à cette contrainte seuil, le fluide ne s'écoule pas. Ainsi, dans le cadre du transport de produit visqueux en régime d'écoulement de lubrification pariétale, lorsque les fluides sont en circulation, la contrainte sur le fluide à seuil est telle que le fluide se déforme et s'écoule avec des frottements pariétaux limités. En revanche, lors des phases d'arrêt des fluides, la contrainte sur le fluide de la couche pariétale est insuffisante pour que le fluide se déforme. Ce fluide se gélifie, limitant ainsi les déplacements transverses du produit visqueux transporté vers la paroi. La méthode est décrite dans le cadre de l'industrie pétrolière, pour le transport d'huile lourdes en régime d'écoulement de lubrification pariétale par injection d'eau. La méthode peut cependant être facilement appliquée à tous types de transport de fluide visqueux en régime d'écoulement de lubrification pariétale, y compris des fluides comportant des solides grossiers de type sable, et/ou des solides fins de type argile. Les bruts lourds se caractérisent par une viscosité très forte, mais également par une masse volumique inférieure mais proche de celle de l'eau. La différence de masse volumique entre l'eau et le brut noté Op est généralement comprise entre 0 et 100 kg/m3. Dans ces conditions, la résultante (FA) des forces d'Archimède et de gravité qui provoque un mouvement transverse du cylindre d'huile (FV) vers le haut reste faible. La méthode selon l'invention propose alors d'utiliser un fluide à seuil (FS) pour créer une force de résistance FD, permettant de contrebalancer l'effet de la résultante (FA), et donc le mouvement du brut vers la paroi de la conduite, comme l'illustre la figure 2. En effet, la contrainte seuil d'écoulement zo, caractéristique du fluide à seuil, va créer une force de résistance Fo sur le cylindre d'huile. A partir de l'équation d'équilibre des forces, il est possible de déterminer la contrainte seuil zo. En effet, la force FD dépend de zo. On a ainsi, dans le cas où la conduite est supposée horizontale: FA = FD = f (zo) . On en déduit alors Io: ro = f -' (FA) . La fonction f étant également dépendante du rayon du cylindre d'huile et FA étant dépendant, entre autre, de la masse volumique des deux fluides, il est possible de déterminer la contrainte seuil zo à partir du rayon du cylindre d'huile et de la masse volumique des deux fluides. Une façon de procéder consiste à estimer simplement FD en intégrant la contrainte seuil sur la surface du cylindre d'huile: FD = zo.2n.R0.L (1) où : - Ro est le rayon du cylindre d'huile; - L est la longueur du cylindre d'huile; 2878018 6 est la contrainte d'écoulement seuil. De même, la résultante (FA) des forces d'Archimède et de gravité peut s'exprimer de la façon suivante: FA = ie.Ro.ph.g.L ,r.Rô .pe.g.L = zr.Ro. Ap.g.L (2) où : - ph est la masse volumique de l'huile; - pe est la masse volumique de l'eau; Dans ces conditions, le non- mouvement du cylindre d'huile s'écrit en considérant que, par unité de longueur, la force de résistance FD bloque la résultante FA: Iz-.R, .Ap.g = ro.27z-.Ro (3) On peut donc écrire une condition d'équilibre donnant la valeur de la contrainte seuil d'écoulement nécessaire pour empêcher le mouvement transverse de l'huile. r0 = 2 R0.Ap.g On peut également, pour déterminer la contrainte seuil d'écoulement nécessaire, utiliser la mesure expérimentale réalisée par Jossic et Magnin: L. Jossic, A. Magnin, 2001, "Drag and stability of objects in a yield stress fluid", AIChE, 47, 12 522. Ils montrent expérimentalement que l'équilibre entre un cylindre horizontal dans un fluide à seuil conduit à : r0 = 7 R0.Ap.g Remarque Le 1 pré-facteur (7 ) diffère de l'équation (4) car le calcul de l'intégrale de la contrainte sur le cylindre d'huile a été simplifié pour l'équation (2). (4) (5) On peut également déterminer la contrainte seuil d'écoulement nécessaire, à l'aide de tests expérimentaux. On peut noter que dans le cas où le fluide transporté est plus dense que le fluide injecté de la couche pariétale, la résultante des forces FA, responsable des mouvements transverses, sera négative. L'utilisation de fluide à seuil permet donc d'éviter, ou de limiter dans le temps, un mouvement transverse du cylindre du fluide transporté vers la paroi, et donc la stratification des fluides à l'arrêt, en contrebalançant l'effet de la résultante (FA) des forces d'Archimède et de gravité, par une force de résistance FD. Cette force de résistance FD est fonction de la contrainte seuil du fluide à seuil. Cette dernière peut être évaluée à partir, par exemple, de la densité du brut et du rayon de la conduite (la couche pariétale étant de l'ordre de quelques millimètres, on peut considérer que Ro est très proche du rayon de la conduite). La méthode comporte donc l'injection d'un fluide à seuil ayant une contrainte seuil suffisante pour contrebalancer les forces responsables des mouvements transverses. Pour une conduite cylindrique de 10 cm de rayon et pour un brut lourd de masse volumique 950 kg/m3, on peut ainsi estimer qu'une contrainte seuil ro de 7 Pa permet d'empêcher la stratification à l'arrêt. La figure 3 donne les valeurs de contrainte seuil d'écoulement (ro) nécessaires en fonction de la masse volumique du brut lourd ( ) pour deux diamètres typiques de conduite cylindrique de transport de lourds: 20 cm (D20) et 10 cm (D10). Selon un mode de réalisation, il est fréquent d'utiliser de l'eau pour créer la couche pariétale. Dans ce cas, il est possible de créer une contrainte seuil d'écoulement dans la couche d'eau, en injectant une quantité d'additifs pour obtenir un fluide rhéofluidifiant à seuil. On peut évaluer une contrainte seuil d'écoulement minimale nécessaire à contrebalancer l'effet des forces responsables des mouvements transverses. Puis, on peut alors déterminer la quantité d'additifs nécessaire pour créer une contrainte seuil suffisante (au moins égale à la contrainte minimale) dans la couche d'eau. Un premier exemple de réalisation est donné en utilisant un polymère Xanthane comme additif. Différentes solutions ont été préparées en fonction de la quantité de polymère dans l'eau. La figure 4 montre trois rhéogrammes issus d'un rhéomètre de couette mesurant la contrainte de cisaillement (CS) en fonction du taux de déformation (TD), pour différentes quantités de polymère de Xanthane: 0,5 g/1 (X05), 3 g/1 (X3) et 6 g/1 (X6). Ces mesures rhéométriques montrent que la rhéologie du fluide peut être modélisée par un comportement de fluide de type HerschelBuckley dans lequel la contrainte de cisaillement 'r est décrite par l'équation suivante: z = 'ro + où : k représente la consistance (exprimée en Pa.$) y représente le gradient de vitesse (taux de déformation) n est un indice, appelé "indice de gradient" Il y a donc apparition d'une contrainte seuil ro en fonction de la quantité de produit utilisée. Il est par exemple possible d'obtenir une contrainte seuil de 6 Pa avec 6 g/1 de polymère dans l'eau. Dans un second exemple, on utilise un polysaccharide commercialisé par la société Degussa (Allemagne) et dénommé Actigum TM CS6. Ce polymère a été solubilisé dans l'eau à différentes concentrations, et des rhéogrammes ont été acquis à l'aide d'un rhéomètre à contrainte imposée AR2000TM (TAInstruments (Royaume-Unis)), équipé d'une géométrie cône/plan (diamètre de 6 cm, angle de 1 ). La figure 6 illustre ces trois rhéogrammes qui représentent la contrainte de cisaillement (CS) en fonction du taux de déformation (TD), pour différentes quantités de polysaccharide d'Actigum TM CS6: 0,5 g/l (A05), 0,1 g/1 (A01) et 0,005 g/1 (A005). Pour une concentration en polymère supérieure à 1 g/1 dans l'eau, la solution présente un comportement de fluide à seuil pouvant être modélisé par un comportement de fluide de type Herschel-Buckley. Ce type de fluide présente une contrainte seuil ro, mise à profit dans le cas de la présente invention pour permettre de limiter, voire d'empêcher le mouvement du brut vers la paroi de la conduite. Ainsi, avec une concentration en polymère de 5 g/1, la contrainte seuil ro est de 3,7 Pa à 20 C. En outre, ce type de polymère confère à la solution un caractère rhéofluidifiant marqué caractérisé par un indice de gradient n de l'ordre de 0,65. Ainsi, en écoulement, la viscosité apparente (17) diminue fortement lorsque le taux de déformation (y) augmente. Toujours avec une concentration en polymère de 5 g/1, la viscosité à 20 C de la solution aqueuse n'est que de 54 mPa sous un taux de déformation de 100s-1. D'autres types d'additifs peuvent être utilisés pour modifier la rhéologie de la couche lubrifiante. On peut citer, de façon non exhaustive les additifs suivants: - des polymères hydrosolubles synthétiques ou naturels: polysaccharides, gomme xanthane, alginates, amidons, guars, pectines, ... ainsi que leurs dérivés; - des polymères associatifs, c'est-à-dire des polymères constitués majoritairement de groupements hydrophiles et minoritairement de groupements hydrophobes; - des argiles dispersables, comme par exemple les montmorillonites ou les laponites, qui peuvent s'associer dans l'eau pour donner des structures tridimensionnelles et des seuils d'écoulement; - des mélanges entre différents additifs. Dans le cas des polymères associatifs, les associations entre groupements hydrophobes dans l'eau permettent de donner un gel en absence de cisaillement. Ce type de polymères peut être obtenu par modification chimique d'un polymère hydrophile, ou par copolymérisation entre des monomères hydrophiles et des monomères hydrophobes. Les fonctionnalités hydrophobes peuvent être distribuées soit aléatoirement le long de la chaîne, soit aux extrémités de chaînes, soit sous forme de blocs. En terme de pression de pompage, il faut s'assurer que l'ajout de tels additifs ne rend pas la couche pariétale trop visqueuse en circulation. En effet, le but de l'écoulement en régime de lubrification pariétale est de réduire les contraintes du fluide visqueux sur la paroi et donc les pressions de pompage. Il faut donc s'assurer que le fluide à seuil injecté, éventuellement obtenu par un mélange d'eau et d'additifs, possède une contrainte seuil telle, qu'à l'arrêt de circulation le fluide visqueux ne puisse pas remonter à la paroi et qu'en circulation, sa viscosité soit telle, que les contraintes sur la paroi sont nettement réduits par rapport au fluide visqueux transporté. On a donc mesuré (figure 5), pour un taux de déformation de 100 s-', la viscosité apparente de la couche pariétale (ri) en fonction de la concentration en Xanthane ([X]). La figure 5 montre une augmentation de viscosité apparente liée à la présence de polymère. Toutefois, cette viscosité est nettement moins élevée que celle d'un brut lourd, ce qui permet l'utilisation d'un tel fluide dans le cadre d'un transport par écoulement en régime de lubrification pariétale. Dans l'exemple de la figure 5, on atteint 100 mPa.s avec le Xanthane alors qu'un brut lourd est 10 à 10 000 fois plus visqueux. En terme de pression de redémarrage, il faut vaincre la contrainte seuil d'écoulement, et il est donc nécessaire de vérifier que la pression de redémarrage nécessaire est acceptable et moindre que la pression de redémarrage sans les additifs. La perte de charge dans la conduite au moment du redémarrage est donnée par l'équation suivante: Ap _ 2.10 L R où : - R est le rayon de la conduite; - Ap représente la perte de charge; - L est la longueur de la conduite; - 20 est la contrainte seuil d'écoulement. (5) Pour une contrainte seuil (Io) de 7 Pa dans une conduite de 10 cm de rayon (R), la perte de charge (Op) est de 140 Pa/m. Cette valeur est tout à fait acceptable dans la mesure où l'on peut accepter jusqu'à 300 Pa/m classiquement dans une conduite, ce qui conduit ici à une contrainte seuil maximum de 15 Pa. La contrainte seuil du fluide à seuil injecté dépend donc de la résultante (FA) des forces d'Archimède et de gravité. Ceci permet d'estimer une limite inférieure de contrainte, acceptable pour limiter les déplacements transverses. Cependant, tant que la viscosité est suffisamment faible par rapport au fluide visqueux transporté, on peut utiliser un fluide ayant une contrainte seuil plus élevée. Dans ce cas, on est limité par la capacité de la station de pompage. L'invention a été décrite dans le cadre d'un transport dans une conduite au sens large. Appliquée à l'industrie pétrolière, la méthode selon l'invention peut donc aussi bien s'appliquer au transport en surface dans des "pipelines" ou au pompage d'hydrocarbures dans des puits, où la conduite correspond au drain menant à la partie verticale du puits. Selon l'invention, une installation permettant de mettre en oeuvre la méthode 20 peut comporter les éléments suivants: - une conduite dans lequel on fait circuler le fluide visqueux; - des moyens de pompage pour mettre en circulation le fluide visqueux dans la conduite; - des moyens d'injection de fluide à seuil dans la conduite permettant de créer un 25 régime en lubrification pariétale. Selon l'invention, un autre dispositif de transport permettant de mettre en oeuvre la méthode peut comporter les éléments suivants: - une conduite dans lequel on fait circuler le fluide visqueux; - des moyens de pompage pour mettre en circulation le fluide visqueux dans la conduite; - des moyens d'injection de fluide dans la conduite permettant de créer un régime en lubrification pariétale. - des moyens d'injection d'additifs au fluide injecté. 13 REVENDICATIONS 1) Méthode pour transporter un produit visqueux dans une conduite, comportant la mise en circulation dudit produit à l'aide de moyens de pompage et l'injection d'un fluide dans ladite conduite créant une couche lubrifiante entre sa paroi et ledit produit visqueux, telle qu'en circulation on est en régime d'écoulement de lubrification pariétale, caractérisée en ce que le fluide injecté est un fluide à seuil de valeur déterminée. 2) Méthode selon la revendication 1, dans laquelle le seuil dudit fluide à seuil est déterminé en évaluant une contrainte seuil d'écoulement minimale à partir de caractéristiques géométriques de ladite conduite et de caractéristiques physiques dudit produit visqueux. 3) Méthode selon l'une des revendications 1 et 2, dans laquelle le fluide à seuil est un mélange d'eau et d'additifs en quantité suffisante pour fournir audit mélange des propriétés rhéofluidifiantes avec un seuil déterminé. 4) Méthode selon la revendication 3, dans laquelle au moins l'un des additifs est choisi parmi les additifs suivants: polymères hydrosolubles synthétiques, polymères hydrosolubles naturels, polymères associatifs et toutes associations entre ces différents polymères. 5) Méthode selon l'une des revendications 3 et 4, dans laquelle au moins l'un des additifs est choisi parmi les additifs suivants: polysaccharides, gomme xanthane, alginates, amidons, guars, pectines, et leurs dérivés. 6) Méthode selon la revendication 3, dans laquelle au moins l'un des additifs est de l'argile. 7) Méthode selon l'une des revendications 3 et 6, dans laquelle au moins l'un des additifs est choisi parmi les additifs suivants: montmorillonites et laponites. 8) Méthode selon l'une des revendications 3 à 7, dans laquelle au moins l'un des additifs est une association entre des polymères et des argiles. 9) Méthode selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle la quantité d'additifs est déterminée en fonction de la masse volumique dudit produit visqueux. 10) Méthode selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle la quantité d'additifs est déterminée en fonction des moyens de pompage de mise en circulation dudit produit visqueux. 11) Système de transport d'un produit visqueux comportant des moyens de pompage pour la mise en circulation dudit produit, des moyens d'injection d'un fluide de manière à créer une couche lubrifiante entre la paroi de ladite conduite et ledit produit visqueux, telle qu'en circulation le régime d'écoulement est en lubrification pariétale, caractérisée en ce que le fluide injecté est un fluide à seuil.