Brevet FR2907837A1 — publié le 20080502

L'invention concerne le domaine d'exploitation des bruts lourds présentant notamment l'inconvénient d'avoir une trop forte viscosité. La méthode et l'installation selon l'invention a pour objet premier de réduire la perte de charge lors du déplacement des bruts lourds du puits vers la surface en agissant sur la viscosité de l'effluent. Les huiles lourdes sont définies comme étant les pétroles bruts dont la densité API est inférieure à 20. Ces huiles, dont les réserves mondiales sont du même ordre de grandeur que l'ensemble des huiles conventionnelles, sont caractérisées par une forte teneur en asphaltènes et par une viscosité élevée, pouvant atteindre jusqu'au million de centipoises à la température du réservoir. De ce fait, leur déplacement et transport dans les conduites de production ou les drains, est beaucoup plus difficile que celui des pétroles bruts conventionnels. Il existe différentes méthodes connues de l'homme de l'art qui permettent de transporter des huiles lourdes par pipeline. Ce sont par exemple le chauffage, la dilution, la mise en émulsion aqueuse, la lubrification pariétale ou "Core Annular Flow", ou encore le raffinage partiel du brut sur le site de production avant transport. Le chauffage est un moyen efficace de réduire notablement la viscosité des huiles lourdes. Mais, en fonction des caractéristiques du brut à transporter, il peut être nécessaire de porter le fluide à des températures relativement élevées pour obtenir une viscosité compatible avec les installations. En outre, il est important de maintenir la température du fluide à ce niveau tout au long de la conduite, ce qui suppose l'isolation thermique 2907837 2 des conduites, et parfois l'installation d'unités de chauffage conjointement aux installations de pompage. C'est une technique coûteuse du point de vue énergétique et qui a l'inconvénient d'émettre de grandes quantités de gaz à effet de serre. :5 La mise en émulsion du brut dans de l'eau est aussi un moyen employé. Dans cette technique, le brut est transporté sous forme de fines gouttelettes dans une phase continue principalement constituée d'eau. Afin de garantir la stabilité de l'émulsion tout au long du pipeline, il est nécessaire d'ajouter à l'eau des additifs tensioactifs judicieusement choisis. On peut également tirer 10 profit des tensioactifs naturels contenus dans le brut. Ces tensioactifs doivent en outre permettre de manière simple, à la fois l'inversion de l'émulsion à l'arrivée à la raffinerie et la récupération du brut anhydre et le traitement de l'eau polluée. Le "Core Annular Flow" consiste à transporter le brut entouré d'un film 15 d'eau. C'est la méthode la plus efficace pour réduire les pertes de charges, celles-ci étant presque comparables à celles obtenues avec de l'eau. Cette technique est décrite par exemple dans le brevet US-4753261. Malheureusement, cette technique présente des difficultés liées à la stabilité de l'écoulement, à la salissure au cours du temps des parois de la conduite et 20 surtout à la difficulté de redémarrage en cas d'arrêt non programmé de la production. C'est ainsi qu'à ce jour, ce mode de transport n'a été que peu employé. Une autre méthode pouvant être envisagée pour amener la viscosité du brut à une valeur compatible avec son transport par pipeline, est le raffinage 25 partiel sur le site de production. Un exemple en est donné dans le brevet US-5110447. Cette méthode suppose des investissements importants ainsi que des coûts opératoires élevés dus à la multiplication du nombre d'unités de viscoréduction sur site. 2907837 3 Afin de diminuer la viscosité des huiles lourdes, il est courant de les diluer par des solvants. Les solvants utilisés sont des coupes hydrocarbonées, comme les condensats ou le naphta. Cette méthode est basée sur le fait que la viscosité des bruts lourds est fortement réduite par l'ajout d'un solvant peu 5 visqueux. Il est généralement admis que pour obtenir une réduction de viscosité suffisante pour permettre le transport d'une huile lourde par pipeline, la quantité de solvant léger à ajouter se situe entre 10 et 50% en volume. Lorsque ce procédé est utilisé, il comporte le plus souvent un second pipeline qui permet le recyclage du solvant après séparation par distillation à la 10 raffinerie. Ce procédé peut être considéré comme le plus efficace pour le transport des bruts lourds. Malgré des investissements importants, il permet le transport de l'huile sans risque particulier, même en cas d'arrêt prolongé de production. En outre, le fait de diluer le brut facilite certaines opérations comme la séparation de l'eau de production. Cependant, le volume à 15 transporter est majoré, et le coût du solvant n'est pas négligeable, ainsi que sa séparation éventuelle du brut afin de le recycler. En outre, du point de vue de la réduction de viscosité, cette solution est nettement moins performante que la mise en émulsion huile dans eau ou le Core Annular Flow. En effet, dans le cas de la dilution, la viscosité finale du mélange dépend fortement de la 20 viscosité initiale du brut : plus celui-ci est visqueux et plus il faut ajouter de diluant pour atteindre une réduction de viscosité acceptable sans toutefois jamais atteindre celle obtenue par la mise en émulsion. Pour cette dernière, la réduction de viscosité est pratiquement indépendante de la viscosité initiale du brut. 25 La présente invention se propose d'apporter une solution pour faciliter le déplacement des bruts lourds des drains de collecte dans le gisement jusqu'à la surface, puis vers les installations de traitement: séparation, dessalage, désacidification, pré-raffinage,... Ainsi, la présente invention concerne une installation de production d'un 30 hydrocarbure de forte viscosité comprenant: un puits de production d'un 2907837 4 effluent comprenant ledit hydrocarbure, des moyens de mélange à basse énergie activés de manière à former une émulsion huile dans l'eau à partir de l'effluent de production, lesdits moyens disposés dans le puits au contact dudit effluent comportant un rotor externe creux contenant un rotor interne, et des 5 moyens de mise en rotation desdits rotor. Les moyens de mélange peuvent comporter des moyens mécaniques de réglage de la position relative du rotor interne dans le rotor externe. Les moyens de mise en rotation peuvent être constitués par une garniture de tiges entraînées en rotation depuis la surface. 10 Les moyens de mélange peuvent être placés dans le puits de production par une colonne de tubes de production dans l'espace intérieur de laquelle l'émulsion formée par les rotors remonte à la surface. L'installation peut comporter des moyens d'injection dans le puits de production, depuis la surface, d'un fluide aqueux contenant au moins un 15 tensioactif. L'invention concerne également une méthode de production d'un hydrocarbure de forte viscosité à partir d'un puits de production d'un effluent comprenant ledit hydrocarbure, dans laquelle on effectue les étapes suivantes: - on dispose de moyens de mélange à basse énergie dans le puits au 20 contact dudit effluent, lesdits moyens comportant un rotor externe creux contenant un rotor interne, 2907837 5 -on active les moyens de mélange par mise en rotation desdits rotors de manière à obtenir des gradients de cisaillement maximum compris entre 200 et 1200 s-1. Les vitesses des rotors peuvent être comprises entre 60 et 100 tours/min. 5 On peut ajuster les positions relatives des deux rotors. On peut injecter dans l'effluent un fluide aqueux comportant au moins un tensioactif. La présente invention sera mieux comprise et ses avantages 10 apparaîtront plus clairement à la lecture de la description des exemples de modes de réalisation, nullement limitatifs, illustrés par les figures ci-après annexées, parmi lesquelles: - la figure 1 montre schématiquement une installation selon l'invention, 15 - la figure 2 montre schématiquement une réalisation d'un mélangeur basse énergie, la figure 3 montre une section transversale des moyens mélangeur, les figures 4a et 4b montrent en coupe le dispositif prototype de mélange, 20 la figure 5 montre l'influence du pourcentage d'eau sur la réduction de viscosité; la figure 6 donne la viscosité apparente en fonction de la dilution; la figure 7 montre l'influence de la taille des gouttes d'eau sur la réduction de viscosité; 25 la figure 8 montre l'évolution du diamètre moyen des gouttes en fonction du temps d'agitation; 2907837 6 - la figure 9 montre l'évolution de la granulométrie pour un temps d'agitation; la figure 10 donne les gradients de vitesse induits par le dispositif selon l'invention. 5 La figure 1 montre un puits 1 foré dans le sous-sol et prolongé par un drain 2 traversant une couche réservoir 3 contenant un effluent de type huile lourde. Le drain peut être "ouvert" ("openhole"), ou cuvelé (non représenté) par une conduite perforée ou par un ensemble de crépines. Dans le drain, l'effluent 10 produit peut contenir de l'huile plus ou moins visqueuse en fonction de la température de fond, de l'eau, de la vapeur d'eau, du gaz. L'installation. selon l'invention comporte des moyens de mélange à basse énergie 4 placé dans le drain, ou dans son voisinage, de façon à fabriquer une émulsion à phase continue aqueuse à partir des fluides en présence, ou à la 15 suite d'une injection depuis la surface de fluides nécessaires à la constitution de l'émulsion. Comme cela est connu dans la profession des producteurs pétroliers, le mélangeur 4 est positionné dans le puits à l'aide d'une colonne de tubes 5 qui remonte à la surface du sol. Ainsi, le fluide mélangé sort de la zone de mélange, ou du dispositif mélangeur 4 (illustré par les flèches référencées 6) 20 dans l'espace intérieur de la colonne de tubes 5 L'espace intérieur de la colonne 5 peut contenir les moyens d'activation 8 des moyens de mélange 4, par exemple sous forme d'une colonne de tiges entraînées en rotation depuis une motorisation de surface 7. Les moyens mélangeurs étant rotatifs, l'énergie d'activation peut provenir d'un câble de 25 transport d'énergie électrique ou d'une conduite hydraulique pour activer une motorisation électrique ou hydraulique. Des moyens de pompage 9, intercalés dans la colonne de tubes 5, peuvent être utilisés pour améliorer la remontée du fluide qui sort de la tête de puits par la conduite ("flowline") 10. 2907837 7 La figure 2 montre schématiquement mais plus détaillés, les moyens mélangeurs 4. Dans cette réalisation, ils comportent un rotor externe 11 et un rotor interne 12. Un ensemble mécanique 13 lié aux deux rotors et aux moyens d'activation 8 fournit les rotations des deux rotors en permettant les réglages 5 des vitesses et les sens de rotation. Le mélange est homogénéisé dans l'espace entre rotor, puis remonte à la surface dans l'espace intérieur de la colonne 5. La figure 3 montre en coupe les deux rotors dont les axes de rotation peuvent être décalés l'un par rapport à l'autre, à partir de l'ensemble mécanique 13. Dans le cas où la motorisation est électrique, les commandes de 10 réglages sont aisément effectuées en utilisant le conducteur électrique qui relie la surface du sol au fond. Dans les autre cas, l'homme du métier peut utiliser toutes les techniques connues pour la transmission d'information entre le surface et le fond d'un puits. Le mélange et la formation de l'émulsion se forme dans l'espace référencé 14 consécutivement à l'action de rotation des deux 15 rotors. Comme cela est démontré ci-après, les vitesses de rotation et les positionnements relatifs des rotors sont ajustés pour réaliser des valeurs de cisaillement déterminées entre rotors, et en particulier compris entre 200 et 1200 s-1. La description qui suit expose les résultats obtenus à partir d'un 20 prototype de mélangeur selon le principe des moyens mélangeurs basse énergie décrits plus haut. Les travaux ont porté tout d'abord sur la rupture de gouttes d'eau dans l'huile. On injecte dans l'huile, avec ajout de tensioactif hydrosoluble. De préférence, le tensioactif est ajouté d'abord dans la phase huile. Il faut donc 25 d'abord "casser" l'eau via le mélangeur pour former une dispersion d'eau dans l'huile, puis obtenir l'émulsion huile dans l'eau par une inversion résultant de l'effet du tensioactif. Le mélangeur utilisé est un mélangeur constitué d'une cuve tournante avec à l'intérieur un barreau tournant. Le barreau peut être excentré par rapport à l'axe de la cuve, et la distance du barreau par rapport au fond de la 2907837 8 cuve peut aussi être ajusté. Des protocoles concernant notamment la détermination de la valeur d'excentration du barreau, des profils de vitesse recherchés, de la durée, ont été identifiés afin de "casser" une goutte. Puis, un protocole a été établi afin d'obtenir l'émulsion huile dans eau. L'huile utilisée 5 est une huile de ricin avec des propriétés physiques comparables à celles d'une huile pétrolière lourde. Les figures 4a et 4b montrent schématiquement en coupe un dispositif mélangeur qui comprend une cuve cylindrique 21 de 150 mm de diamètre et de 65 mm de haut dans laquelle est introduit un cylindre vertical 22 (barreau) de 10 100 mm de diamètre. L'excentration du cylindre E est réglable. Le jeu ô entre le bas du cylindre intérieur et le fond de la cuve est aussi réglable. La cuve et le cylindre sont animés indépendamment d'un mouvement de rotation suivant des protocoles que l'on peut choisir (S21 et ê2 sont respectivement les vitesses angulaires de la cuve et du cylindre). En 15 particulier, ils peuvent être en co-rotation ou en contra-rotation. La commande des déplacements se fait à partir d'un ordinateur via un logiciel dédié et une interface graphique. Les paramètres géométriques du dispositif exemplifié sont : - R1 : rayon intérieur de la cuve (72,5 mm) 20 - R2 : rayon extérieur du cylindre (50 mm), - E : excentricité du cylindre (réglable de 0 à 22,5 mm), - ô : jeu cylindre-fond de cuve (réglable de 1 à 3 mm). Les paramètres dynamiques choisis sont les vitesses angulaires des pièces tournantes qui peuvent varier entre 0 et 100 tours/min. Ces vitesses 2:5 angulaires peuvent être modulées ou non. 2907837 9 La procédure suivie pour la préparation de l'émulsion comporte principalement quatre phases : - le réglage initial des paramètres géométriques et dynamiques, - la mise en présence des réactifs dans la cuve, 5 - la durée d'agitation et de formation de l'émulsion, - la dilution finale éventuelle de l'émulsion obtenue. Les variables imposées sont : - Température (ambiante : 25 C), -Volume initial d'huile (150 m.l) dans la cuve, 10 - Type de tensioactif (Triton X405TM), mélangé à l'huile, - Concentration en tensioactif (2% en masse du volume total), - L'injection de l'eau distillée se fait pratiquement de façon instantanée, - Vitesse de rotation cuve égale à la vitesse du cylindre, aucune modulation de vitesse n'est imposée. 15 Le volume d'eau est compris entre 9 et 18%, injecté progressivement sur une courte durée, 30 s à 2 min. La dilution finale Df est comprise entre 5 et 30%. Le temps d'agitation T peut atteindre 10 minutes. Les huiles lourdes utilisées ont les caractéristiques physico-chimiques 20 suivantes : huile de ricin (Castor Oil) : densité 11-12 API, viscosité dynamique 2.5-3 Pa.s@25 C. 2907837 10 - brut vénézuelien (Zuata) : densité 8-8.5 API, viscosité dynamique 6-7 Pa.s@25 C - brut canadien (Athabasca) : densité 8.3 API, viscosité dynamique 42-44 Pa.s@25 C 5 L'objet des essais est la création d'une émulsion huile dans eau par injection d'eau et de surfactant dans l'huile en vue d'obtenir une viscosité apparente très réduite par rapport à celle de l'huile. Les mesures suivantes ont été faites pour caractériser les émulsions obtenues : 10 - taille des gouttes par photo microscopie numérique, - viscosité apparente de l'émulsion, -granulométrie laser de l'émulsion. La figure 5 montre l'influence du pourcentage d'eau sur la réduction de viscosité. La variation de viscosité apparente (ordonnée) en fonction du 15 gradient de vitesse Gv de cisaillement est d'autant plus rapide que le pourcentage d'eau considéré est grand (30, 36, 40, 50% d'eau). L'huile H est du "Castor Oil" utilisée selon différentes compositions de l'émulsion. L'émulsion a été obtenue par modulation pour des vitesses de la cuve et du barreau choisies entre 90 et 100 tours/min. Le diamètre moyen des gouttes est de 10 m. 20 La figure 6 montre que la viscosité apparente (pour un gradient de vitesse de 100 s') d'une émulsion est d'autant plus faible que le pourcentage d'eau est grand (Dilut en abscisse). L'émulsion est à base de "Castor oil", dans laquelle le diamètre moyen des gouttes est de 10 m. La figure 6 illustre une comparaison des valeurs expérimentales (Exp) avec le modèle de Richardson. 25 La figure 7 montre l'influence de la taille des gouttes d'eau sur la réduction de viscosité: 2907837 11 - La viscosité apparente de l'émulsion (volume d'eau 30%) décroît plus vite en fonction de la vitesse de cisaillement lorsque le diamètre moyen des gouttes d'huile est de l'ordre de 50 microns. - A gradient de vitesse constant (par exemple 150 s-1) la réduction de 5 viscosité apparente est d'autant moins importante que le diamètre moyen des gouttes d'huile de l'émulsion est petit (variation entre 50 microns et 10 microns). A fort gradient de vitesse cie cisaillement (typiquement supérieur à 200 s-1), la viscosité apparente de l'émulsion tend vers un palier newtonien. IO Les émulsions ont été obtenues pour une proportion en eau de 30% et un pourcentage massique en TRITON X405 de 1,7 à 2%. La figure 8 montre l'évolution du diamètre moyen des gouttes Dmg (ordonnée en m) en fonction du temps d'agitation T. Il est possible de contrôler la taille des gouttes formées en adaptant le temps d'agitation. On 15 note que cette variation est quasi linéaire. La figure 9 montre l'évolution de la granulométrie, en volume et en nombre, pour un temps d'agitation T de 6 minutes (essai no 2 û Tableau 1). Les mesures effectuées attestent d'une répartition quasi unimodale (ou monodisperse) de la taille des gouttes (diamètre moyen D) pour quatre 20 échantillons d'émulsions (1 à 4 avec "Castor oil"). Les résultats obtenus confirment les mesures faites par photo microscopie et corroborent les influences des divers paramètres. N E (mm) i Win') ~. Df ((O ô" (iîm) T (nain) _ D ( m) 1 18 _ 60 9 1 6 25 2 18 90 9 _ 2 1 6 _ 3 18 90 9 3 6 15 4 18 90 12 1 6 40 Tableau 1: Influence de la variation de trois paramètres (vitesse de rotation S2, espacement cylindre-cuve E et cylindre-fond de cuve ô) sur le 2907837 12 diamètre moyen D des gouttes de l'émulsion (Castor Oil) pour un même temps d'agitation T. La figure 10 donne les gradients de vitesse maximaux induits par le dispositif selon l'invention, en fonction des vitesses de rotation S2 du cylindre et 5 du rotor (égales, de même sens trigonométrique, et continues). Les courbes 110 et 111 correspondent respectivement à une excentration de 14 et 18 mm. Les courbes 112 et 113 correspondent respectivement à un jeu entre barreau et fond de cuve de 3 et 1 mm. En résumé, et par ordre d'importance décroissante, les paramètres les 10 plus influents pour obtenir la réduction de viscosité par fabrication d'une émulsion huile dans eau sont : le pourcentage d'eau introduit, celui-ci doit être faible, les vitesses de rotation des pièces mobiles, l'espacement cylindre-fond de cuve, 15 -l'espacement cylindre-cuve. La réduction de viscosité apparente des émulsions obtenues peut aller jusqu'à un facteur 50, ce facteur est d'autant plus grand que la viscosité initiale de l'huile est importante. En conséquence, il a été établi un protocole permettant d'obtenir une 20 émulsion huile dans eau en injectant de l'eau et du tensioactif dans l'huile. Le tensioactif utilisé est un tensioactif non ionique (Triton X405), hydrophile (HLB=17,9), qui est injecté en premier dans l'huile, seul (donc non dissout dans l'eau avant de l'injecter). Le pourcentage en masse du tensioactif injecté varie entre 1,5 et 2%. On peut aussi utiliser un agent de type base permettant 25 d'ioniser partiellement les molécules tensioactives contenues dans le brut. L'eau est ensuite injectée, rapidement. Le pourcentage en volume d'eau injectée varie entre 9% et 18%. La cuve et le cylindre sont mis en rotation à des 2907837 13 vitesses comprises entre 60 et 100 tours/min, de préférence entre 60 et 90 tours/min, avec des cisaillements compris entre 200 et 1200 s 1. Cela correspond à un mélange basse énergie pour des temps d'agitation courts. Les émulsions obtenues sont pratiquement unimodales, le temps pour les obtenir 5 dépendant des paramètres et de la taille moyenne de goutte recherchée. Ainsi, le temps de mélange pour obtenir une émulsion unimodale avec une taille de goutte moyenne de l'ordre de 20 m varie entre 3 minutes et 120 minutes selon les paramètres, de préférence entre 3 et 10 minutes. La limite inférieure de la taille des gouttes est de l'ordre de 2 pm. L'émulsion mère obtenue est ensuite 10 diluée avec de l'eau jusqu'à obtenir une proportion voisine de 30% d'eau et de 70% d'huile. La réduction de viscosité observée des émulsions diluées obtenues est très importante, de 2 à 200 fois moins visqueuses que les huiles brutes selon la taille des gouttes, la dilution et le cisaillement considéré. Ainsi, un dispositif mélangeur, tel que définit par les exemples ci-dessus 15 peut être avantageusement placé en fond de puits de production pétrolière pour fabriquer une émulsion huile dans eau, à partir d'un effluent pétrolier provenant du réservoir traversé par le puits, d'eau, et éventuellement d'additifs injectés depuis la surface. Cette émulsion a une viscosité plus faible que celle de l'effluent ce qui favorise son écoulement dans le drain, et/ou les 20 conduites de production. Cette invention s'applique avantageusement au schéma de production SAGD ("Steam Assisted Gravity Drainage") dans lequel de la vapeur d'eau est injectée dans le réservoir pour fluidifier le brut. Dans ce cas, l'effluent drainé comporte généralement 2 à 3 volume d'eau pour un volume de brut. Cette 25 composition est favorable à la constitution d'une émulsion avec le dispositif selon l'invention. REVENDICATIONS 1) Installation de production d'un hydrocarbure de forte viscosité comprenant: un puits de production (1) d'un effluent comprenant ledit hydrocarbure, des moyens de mélange à basse énergie (4) activés de manière à former une émulsion huile dans l'eau à partir de l'effluent de production, lesdits moyens disposés dans le puits au contact dudit effluent comportent un rotor externe creux (11) contenant un rotor interne (12), et des moyens de mise en rotation (13) desdits rotors. 2) Installation selon la revendication 1, dans laquelle les moyens de mélange comportent des moyens mécaniques de réglage de la position relative du rotor interne dans le rotor externe. 3) Installation selon l'une des revendications précédentes, dans 1:5 laquelle les moyens de mise en rotation sont constitués par une garniture de tiges (8) entraînées en rotation depuis la surface. 4) Installation selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle les moyens de mélange sont placés dans le puits de production par une colonne de tubes de production (5) dans 20 l'espace intérieur de laquelle l'émulsion formée par les rotors remonte à la surface. 2907837 5) Installation selon l'une des revendications précédentes, comportant des moyens d'injection dans le puits de production, depuis la surface, d'un fluide aqueux contenant au moins un tensioactif. 5 6) Méthode de production d'un hydrocarbure de forte viscosité à partir d'un puits de production d'un effluent comprenant ledit hydrocarbure, dans laquelle on effectue les étapes suivantes: - on dispose de moyens de mélange à basse énergie dans le puits au contact dudit effluent, lesdits moyens comportant un 10 rotor externe creux contenant un rotor interne, on active les moyens de mélange par mise en rotation desdits rotors de manière à obtenir des gradients de cisaillement maximum compris entre 200 et 1200 s 1. 7) Méthode de production selon la revendication 6, dans laquelle les 15 vitesses des rotors sont comprises entre 60 et 100 tours/min. 8) Méthode de production selon l'une des revendications 6 ou 7, dans laquelle on ajuste les positions relatives des deux rotors. 9) Méthode de production selon l'une des revendications 6 à 8, dans laquelle on injecte dans l'effluent un fluide aqueux comportant au moins un tensioactif.