Brevet FR2900459A1 — publié le 20071102

La présente invention concerne le domaine de la détection des dépôts dans une 10 conduite de transport d'un effluent susceptible de créer des dépôts sur les parois internes de la conduite. En particulier, l'invention pourra être avantageusement appliquée à la détermination, ou l'évaluation de l'épaisseur de dépôts à l'intérieur d'une conduite de transport d'un effluent pétrolier pouvant entraîner la fonnation de dépôts solides, tels que hydrates, paraffines, asphaltènes, ou autres dépôts organiques et minéraux. 15 On connaît notamment le document WO 01/25680 qui décrit un procédé et un dispositif pour la détection d'un dépôt dans un conduit. Cependant, ce procédé n'apporte pas de précision sur une méthode de quantification de l'épaisseur du dépôt. 20 La présente invention permet d'évaluer d'une manière non intrusive des épaisseurs de dépôts sur les parois internes des conduites. D'une manière générale, une excitation thermique est créée en un point de la paroi externe et on examine les évolutions de forme et d'amplitude de cette excitation en mesurant la température dans le même voisinage. L'interprétation des signaux recueillis permet de détecter la présence 25 des dépôts et d'en déterminer l'épaisseur. Ainsi, la présente invention concerne une méthode de suivi de l'épaisseur d'un dépôt dans une conduite de transport d'un effluent, dans laquelle on effectue les étapes suivantes: 30 -a) on dispose au moins un moyen de chauffe au contact de la paroi de ladite conduite, et au moins un capteur de température à proximité du point de chauffe, 1 - b) on émet un chauffage d'une puissance déterminée et on enregistre la courbe de montée en température T en fonction du temps t; - c) on détermine un paramètre T caractéristique d'une fonction temporelle F dans laquelle la température T est normalisée (Tn) à l'aide de la température initiale To et la 5 température finale T. de ladite courbe; - d) on effectue les étapes b) et c) dans les conditions initiales du transport ne comportant pas de dépôt et dans les conditions d'un arrêt de la circulation de l'effluent pour obtenir respectivement des valeurs To et Tœ dudit paramètre T, -e) on effectue les étapes b) et c) à un instant donné pour déterminer le paramètre 10 T que l'on normalise (Tn) à l'aide des valeurs caractéristiques To et Too ; - f) on effectue une évaluation de l'épaisseur e de dépôt présent dans la conduite à cet instant donné en considérant que l'épaisseur e est liée au paramètre T normalisé par une fonction F' similaire à la fonction F à la valeur d'une constante près. 15 La normalisation de T et de T peut être de la forme: Tn = (T-To)/(To.-To) et Tn = (T-TO)/('C.0-To). La fonction F peut être de la forme: Tn = 1-exp-th 20 avec le temps t, T paramètre caractéristique. La fonction F' peut être de la forme: 2n = 1-exp e/k avec e épaisseur du dépôt, et k une constante. La puissance de chauffe peut être déterminée en fonction du temps mis pour 25 atteindre Tco. L'invention sera mieux comprise et ses avantages apparaîtront plus clairement à la lecture des explications et descriptions d'essais, nullement limitatifs, illustrées par les figures ci-après annexées, parmi lesquelles: 30 - La figure 1 illustre les résultats d'une simulation de courbe de montée en température; - Les figures 2a, 2b, 2c et 2d donnent les courbes de Tä pour différentes épaisseurs de dépôt; - La figure 3 donne la forme de la courbe des valeurs de ti en fonction de l'épaisseur du dépôt; - La figure 4 donne les valeurs de 'c pour différentes géométries de conduites; - la figure 5 donne les courbes de in pour différentes géométries de conduites; - La figure 6 donne les épaisseurs calculées au cours d'une exploitation. 10 Dans une première étape, on a modélisé le système constitué d'une conduite cylindrique de 2" (50,8 mm), d'un élément chauffant, d'au moins une mesure de température. Le fluide est de l'huile. Le logiciel utilisé, FLUENT TM, est un code commercial de calcul multidimensionnel mettant en oeuvre une méthode de résolution 15 numérique par volumes finis, et dédié principalement à des problèmes de mécanique des fluides et de thermique. La figure 1 montre le résultat d'une simulation dans laquelle le point de mesure est sur le point de chauffe, la vitesse de l'huile de 1 m/s, et les courbes 1, 2, 3, et 4 correspondent respectivement à des épaisseurs de dépôts de 0, 1, 4 et 10 mm. Après 20 avoir considéré plusieurs localisations du point de mesure par rapport au point de chauffe, il apparaît nettement que la précision des mesures impose la mesure des températures au plus près, donc de manière optimale, sur le point de chauffe. Les courbes de la figure 1 montrent que la présence de dépôts se traduit d'une manière concrète par un accroissement du palier final de température T. Il apparaît aussi 25 que le niveau de ce palier n'est pas proportionnel à l'épaisseur de dépôts et qu'il présente une nette saturation dès que celle-ci dépasse environ 5 mm. L'exploitation de la valeur du palier final comme indicateur de l'épaisseur des dépôts n'apparaît donc pas adaptée, d'abord parce que son niveau varie avec les conditions ambiantes et ensuite parce qu'il ne permettrait pas de caractériser des dépôts importants. 30 La résolution des équations de la thermique conduit, pour une montée en température, à une forme analytique générale qui s'écrit : ùt Tn=TùTo =1-eT T -T où To et T~ sont respectivement la température initiale et la température du palier final, t la variable temps et i un paramètre dénommé ici "temps caractéristique". Si l'on prend soin de formaliser ainsi les courbes, il apparaît que le temps caractéristique i dépend de l'épaisseur de dépôts. Il apparaît que ce paramètre est intéressant à exploiter, car il permet de rester dans un contexte adimensionnel, donc indépendant des niveaux des températures mesurées. Il serait aussi avantageux qu'il soit peu sensible aux conditions expérimentales : vitesse d'écoulement de l'huile, puissance de chauffage, conditions thermiques environnantes (températures de l'huile et du milieu ambiant). Les figures 2a à 2d présentent des montées en température formalisées de façon adimensionnelle, et qui résultent de calculs de simulation effectués pour diverses conditions opératoires. Les figures 2a, 2b, 2c, 2d correspondent respectivement aux conditions suivantes: 0 mm, 1 mm, 4 mm, 10 mm de dépôts. Le faisceau de courbes est obtenus en faisant varier la vitesse de l'effluent. On constate que, pour une épaisseur de dépôts donnée, les courbes se regroupent en un faisceau relativement concentré, ce qui signifie que le paramètre i dépend peu des conditions opératoires, tout en restant principalement fonction de l'épaisseur de dépôts. La figure 3 montre l'ensemble des paramètres ti en fonction de l'épaisseur de dépôts considéré en simulation, et ceci pour diverses conditions opératoires. On constate qu'une courbe peut les relier, et servir ainsi de base à une méthode de déduction des épaisseurs de dépôts en fonction de T. Compte tenu de la forme de la courbe, la sensibilité d'une telle méthode est maximum pour les faibles épaisseurs et moins précise pour les épaisseurs importantes. Par exemple, dans les cas étudiés, l'épaisseur de 10 mm peut être considérée comme une limite supérieure à l'application de la méthode. Ce qui peut être cependant tout à fait adapté lorsqu'elle est comparée au diamètre intérieur de 50 mm de la conduite considérée pour ces calculs de simulation. 4 On a vérifié que les conclusions précédentes peuvent être généralisées à des conduites de dimensions variées, tant dans les diamètres que pour les épaisseurs de parois. Des simulations ont ainsi été réalisées pour les configurations géométriques 5 suivantes : Conduites 6" 12" 16" Diamètre extérieur (mm) 168,3 323,9 406,4 Diamètre intérieur (mm) 155,5 298,5 355,6 Épaisseur de paroi (mm) 6,4 12,7 25,4 Les méthodes de simulation sont identiques à celles utilisées précédemment (vitesse de débit d'huile 1 m/s, température initiale 300 K), et le modèle de turbulence 10 (de type K-epsilon) peut prendre en compte les écoulements turbulents qui se manifestent pour les plus grands diamètres. Les résultats donnent les temps caractéristiques i en fonction de différentes épaisseurs de dépôts. La figure 4 donne l'ensemble de ces résultats, auxquels ont été ajoutés ceux déjà 15 présentés sur la figure 3 spécifiques à la conduite de diamètre 2". Si les courbes sont toutes d'allures semblables, on constate cependant que leurs niveaux sont très différents et qu'ils augmentent très sensiblement avec les dimensions des conduites. Toutefois, leur similitude de forme montre qu'elles répondent à une même relation formelle. 20 Leurs allures proches de celles des courbes de température amènent naturellement à penser qu'elles pourraient aussi être modélisées sous une forme mathématique similaire, de type exponentiel. On a alors constaté, ce qui peut être aisément confirmé au moyen d'ajustements par moindres carrés, que l'on peut transposer la même méthode de représentation adimensionnelle que celle qui a été appliquée aux 25 températures. La représentation formelle des courbes s'exprime ainsi, selon l'invention, sous la forme mathématique : ûe 2o =1ûe k z~ û To dans laquelle io est le temps caractéristique correspondant à une épaisseur de dépôts nulle, ico celui correspondant à une épaisseur maximum (équivalent à la vitesse de circulation nulle), i le temps mesuré pour une épaisseur e, et k une constante assimilable à une épaisseur caractéristique. L'application de cette formule permet d'obtenir le faisceau de courbes de la figure 5, dont l'apparence atteste la bonne adéquation du modèle proposé. A ce stade, un ajustement du modèle sur l'ensemble des données disponibles permet de fixer la valeur du paramètre k à 5,3 mm. 10 Les calculs de simulation ayant été effectués en 2 dimensions avec symétrie axisymétrique, on a vérifié par des simulations 3D qu'aucun artefact n'avait été introduit par cette réduction. Une portion d'une conduite de 12" (304,8 mm) a été modélisée en 3D avec un maillage atteignant 300000 cellules, soit environ dix fois plus que pour le 15 maillage 2D équivalent. L'élément chauffant est réduit à une pastille de 6 mm de diamètre pour une épaisseur de 1 mm. Les simulations ont été réalisées pour une seule vitesse de débit d'huile (1 m/s), une température initiale uniformisée à 300 K et une puissance volumique de chauffage de 20 MW/m3 (soit une puissance réelle de 0,56 W au lieu de 22 W en 2D). Les courbes des temps caractéristiques., sous la représentation 20 adimensionnelle, en fonction de l'épaisseur de dépôts obtenues par simulation 3D, comparées à celles données par la simulation 2D, confirment, par leur superposition, l'équivalence entre les deux modes de calcul. La méthode a été appliquée à des essais réalisés sur le champ de Montastruc (F). 25 Deux systèmes de mesures ont été installés en sortie d'une tête de puits, grâce à quoi des évolutions de température lors d'échauffements de la paroi de la canalisation de production ont pu être enregistrées pour différentes épaisseurs de dépôts. On dispose donc de relevés de températures journaliers, qui ont été numérisés et 30 traités par un logiciel afin de tester la méthodologie selon l'invention. L'étape préalable est de fixer les valeurs extrêmes des temps caractéristiques -ro et 't.,, l'une à partir d'une montée en température obtenue pour une conduite sans dépôts avec débit d'huile, et5 l'autre enregistrée avec la même conduite mais sans débit. La première valeur 'ro est établie en analysant un essai réalisé en début de campagne, dans une conduite supposée sans dépôts, ou encore en fin de campagne après nettoyage. Par contre, aucun enregistrement n'ayant été effectué sans débit d'huile et dans la conduite propre, la valeur correspondante du temps caractéristique ioe n'est pas directement disponible. Elle a été cependant approchée à partir des mesures réalisées en fin de campagne, avec l'épaisseur maximum de dépôts, juste avant le nettoyage final. Les deux valeurs extrêmes ont pu être ainsi définies : • Temps caractéristique sans dépôts Ta: 119 secondes 10 • Temps caractéristique avec dépôts maximum -r co: 180 secondes Ces deux valeurs ont été consignées dans le logiciel (le traitement et ont permis d'évaluer les épaisseurs de dépôts à différentes époques de la campagne d'essais. La figure 6 donne les épaisseurs de dépôts obtenues en traitant les mesures de température 15 par la méthode selon l'invention. Sur une première courbe AM on distingue une évolution continue au cours de la campagne, ceci malgré des évolutions qui peuvent être ponctuellement chaotiques, avec un taux moyen d'accroissement de 0,125 mmljour. La quantité de dépôts recueillie après raclage (RC) a permis d'évaluer à 10 mm leur épaisseur moyenne en fin de campagne, ce qui correspond à ce que fournit la méthode 20 selon l'invention. La deuxième courbe AV représente des mesures d'épaisseurs réalisées en aval du racleur, sur une partie de la conduite qui était soumise à des raclages réguliers. Elle indique, naturellement, une absence de dépôts et constitue ainsi la référence zéro. 25 Les calculs ont en premier lieu indiqué que la sensibilité du système était maximum lorsque les mesures de températures étaient effectuées à proximité immédiate de l'élément chauffant. Il est donc avantageux de mesurer la température de l'élément lui-même, ce qui d'un point de vue pratique ne soulève pas de difficultés et a l'avantage de rendre le système plus compact. Les calculs ont aussi montré qu'il pouvait être 30 avantageux d'isoler thermiquement du milieu extérieur l'élément chauffant et la paroi de la conduite au point de mesure. Cette condition optimise l'utilisation de la chaleur dégagée par l'émetteur et augmente notablement la sensibilité du capteur. Elle n'est cependant pas indispensable à la mesure et peut être omise lorsque, par exemple, la formation des dépôts risque d'être localement affectée par l'isolation de la conduite. L'apport principal de l'invention est de fournir les éléments permettant d'unifier les courbes de montée en température en les exprimant sous une forme canonique adimensionnelle. Elles apparaissent de cette manière comme découplées des conditions opératoires (débit d'huile, puissance de chauffage) et des conditions thermiques (température de l'huile et du milieu extérieur). C'est ainsi, que pour une conduite et un capteur donnés, les temps caractéristiques de montée en températures sont biunivoquement reliés à l'épaisseur des dépôts sur la paroi. Cette unicité ne se conserve cependant pas lorsqu'on modifie les dimensions de la conduite, ce qui implique l'existence pour chaque conduite d'une relation entre les épaisseurs de dépôts et: les temps caractéristiques. Le fait que ces relations ont une forme canonique identique permet cependant d'appliquer la même méthode de réduction adimensionnelle que précédemment, et d'aboutir à une relation unique entre le temps caractéristique adimensionnel et l'épaisseur de dépôts. • Étape préliminaire : en présence d'un nouveau site de mesure, il faut au préalable déterminer les deux paramètres normalisant permettant d'exploiter la relation, c'est-à-dire les temps caractéristiques de montée en température correspondant à une conduite sans dépôts, ainsi qu'à cette même conduite lorsque les dépôts sont importants. Ces deux paramètres sont aisés à obtenir, car le premier se déduit; immédiatement d'une mesure avec écoulement dans l'état initial de la conduite (sans dépôts), et le second est obtenu par une mesure dans le même état mais sans écoulement. La simulation montre en effet que ce dernier cas donne une réponse équivalente à celui d'une conduite avec épaisseur de dépôts maximum. • Étape d'exploitation : les deux paramètres précédents resteront attachés au site et la mesure d'une épaisseur inconnue se réduit désormais à l'enregistrement d'une montée en température. Le calcul du temps caractéristique correspondant s'effectue en normalisant la courbe de température et la normalisation du temps caractéristique se déduit à partir des deux valeurs calculées initialement. Le report du temps normalisé sur la courbe unique qui le relie aux épaisseurs de dépôts permet enfin de connaître l'épaisseur au moment de la mesure. Ce sont des opérations aisément programmables sur un microcalculateur afin d'automatiser la mesure. Cette méthode ne se limite pas à des applications à des conduites pétrolières, 5 mais peut être avantageusement utilisée à d'autres industries, par exemple alimentaire. REVENDICATIONS 1) Méthode de suivi de l'épaisseur d'un dépôt dans une conduite de transport d'un 5 effluent, dans laquelle on effectue les étapes suivantes: - a) on dispose au moins un moyen de chauffe au contact de la paroi de ladite conduite, et au moins un capteur de température à proximité du point de chauffe, - b) on émet un chauffage d'une puissance déterminée et on enregistre la 10 courbe de montée en température T en fonction du temps t; - c) on détermine un paramètre 'r caractéristique d'une fonction temporelle F dans laquelle la température T est normalisée (Te) à l'aide de la température initiale To et la température finale T. de ladite courbe; - d) on effectue les étapes b) et c) dans les conditions initiales du transport 15 ne comportant pas de dépôt et dans les conditions d'un arrêt de la circulation de l'effluent pour obtenir respectivement des valeurs 'ro et 'r dudit paramètre r, - e) on effectue les étapes b) et c) à un instant donné pour déterminer le paramètre i que l'on normalise (iä) à l'aide des valeurs caractéristiques To 20 et iGo ; - f) on effectue une évaluation de l'épaisseur e de dépôt présent dans la conduite à cet instant donné en considérant que l'épaisseur e est liée au paramètre i normalisé par une fonction F' similaire à la fonction F à la valeur d'une constante près. 25 2) Méthode selon la revendication 1, dans laquelle la norrnalisation de T et de i est de la forme: Tä = (T-To)/(T.-To) et in = (T-To)/(r -io). 3) Méthode selon. l'une des revendications 1 ou 2, dans laquelle la fonction F est 30 de la forme: Tp = 1-exp-t/T avec le temps t, i paramètre caractéristique. 4) Méthode selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle F' est de la forme: Tä = 1-exp-e/" avec e épaisseur du dépôt, et k une constante. 5) Méthode selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle la 5 puissance de chauffe est déterminée en fonction du temps mis pour atteindre T..