Brevet FR2922256A1 — publié le 20090417

INSTALLATION POUR LA RECUPERATION ASSISTEE DU PETROLE METTANT EN îUVRE DES POLYMERES HYDROSOLUBLES, PROCEDE METTANT EN îUVRE L'INSTALLATION L'invention a pour objet une installation pour la récupération assistée du pétrole mettant en oeuvre des polymères hydrosolubles. Elle concerne également un procédé de récupération assistée du pétrole mettant en oeuvre ladite installation. Les (co)polymères d'acrylamide et/ou de méthacrylamide représentent une large part des polymères hydrosolubles utilisés dans l'industrie pétrolière pour de nombreuses applications. De tels polymères sont en particulier d'un grand intérêt pour l'amélioration de la récupération assistée du pétrole par injection en solution. Cette méthode consiste à balayer le champ pétrolifère au moyen d'une injection d'eau plus ou moins saline et visqueuse dénommée également � saumure �, dans laquelle le polymère est dissous, forçant ainsi le pétrole à sortir des pores de la roche. Dans cette application, les quantités de polymères utilisés peuvent être très importantes, supérieures à 50 000 tonnes/an, ce qui est tout à fait non usuel. Plus précisément, l'efficacité de cette technique est très dépendante de la différence de viscosité existant entre le pétrole et l'eau. Pour la limiter, il est nécessaire d'épaissir l'eau d'injection au moyen d'une addition de polymères hydrosolubles, très souvent un polymère ou copolymère d'acrylamide et/ou de méthacrylamide de très haut poids moléculaire. C'est l'une des méthodes de Récupération Assistée du Pétrole (RAP). Toutefois, ces polymères sont relativement sensibles aux dégradations. Parmi celles-ci, on distinguera 3 types : les réactions d'hydrolyse, les dégradations mécaniques et les réactions de dégradation radicalaires. Les premières entraînent des modifications de la composition chimique du polymère alors que les autres conduisent à une diminution de la longueur des chaînes. Il est donc très important d'éviter que la chaîne polymérique ne soit dégradée pour conserver au polymère toutes ses propriétés viscosifiantes lors de son utilisation. Dans la présente invention, par � dégradation �, on entend tout processus entraînant une coupure des chaînes de la macromolécule. Ce type de dégradation implique la formation de radicaux libres qui attaquent les chaînes macromoléculaires suivi de réactions de propagation. Ces radicaux libres, initiateurs de dégradation, peuvent être formés en particulier par des réactions dites RED/OX entre les parties oxydantes (en particulier l'oxygène) et les parties réductrices (inhibiteur d'oxygène, sulfure d'hydrogène, Fe2+). En pratique, les (co)polymères d'acrylamide sont le plus souvent disponibles commercialement sous forme de poudres ou d'émulsions. Ils sont généralement utilisés en solution aqueuse diluée dans les applications industrielles. Du fait de leur poids moléculaire élevé, la viscosité de la solution qui en résulte est importante. Cela a pour conséquence de limiter la concentration en polymère dans la solution si on veut éliminer partiellement la formation d'agglomérats dans le dispositif de mise en dispersion. Communément, celle-ci ne dépasse pas 5 g/1 pour des polymères de poids moléculaire de l'ordre 15 millions. Au-delà, on observe la formation de �fish eyes � correspondant au phénomène d'agglomération proprement dit. Il est alors nécessaire de mettre en oeuvre une filtration grossière (100-200 microns) puis fine (10-20 microns) de manière enlever les � fish eyes � en deux étapes successives. En outre, le temps de séjour dans le dispositif de dispersion étant relativement court, le polymère n'a pas le temps de se dissoudre et n'est donc pas pompable et utilisable en l'état, ce qui rend nécessaire une étape ultérieure de maturation ou de dissolution. Après dissolution, le polymère est dilué par la saumure utilisée sur le champ de manière à obtenir la concentration (500 à 3000 ppm) et la viscosité (5 à 50 centipoises) requises. En pratique, la dispersion est effectuée par l'intermédiaire soit : o d'un éjecteur à eau alimentée par un cône lui-même mouillé pour éviter les 25 collages, o d'un transport pneumatique de la poudre puis mouillage par des buses à eau au-dessus de la cuve de dissolution, o toute autre méthode où la poudre est mise en contact avec l'eau sous agitation. 30 S'agissant de la dissolution, celle-ci se fait à l'air libre dans des cuves de dissolution avec une saturation en oxygène de 4 à 7 ppm qui dégrade chimiquement le polymère à l'injection même en présence d'un réducteur d'oxygène (bisulfite d'ammonium) par formation de radicaux libres. Bien entendu, l'objectif est de pouvoir injecter une solution de concentration précise donnant la viscosité requise par le procédé. A titre d'exemple, à des concentrations d'injection de 1000 à 2000 ppm et des débits horaires de 500 m3 à 2000 m3, il est nécessaire de dissoudre 500 à 4000 kg/heure de polymère, ce qui est très supérieur aux quantités traditionnellement utilisées comme par exemple en floculation lors d'opération de traitement des boues. Le problème que se propose donc de résoudre l'invention est de développer une installation qui permette d'injecter directement le mélange eau d'injection/polymère dans le puit, sans passer par une étape préalable de dissolution dans des cuves, et sans nécessiter de filtration ultérieure. 10 Pour ce faire, le Demandeur a mis au point un dispositif de broyage humide permettant de mettre le polymère de haut poids moléculaire en dispersion à l'état broyé à une concentration de 0.5 à 3% en poids, la dissolution proprement dite étant obtenue grâce au temps de séjour du polymère dispersé, dans le pipeline d'injection. 15 En effet, en RAP, la suspension ou dispersion est transportée par pipe-line sur des distances assez longues (100 à 10 000 mètres) pour être ensuite injectée à des profondeurs d'au moins 400 mètres, avec une vitesse de pompage de 2m/sec. Pour 1000 mètres de pipe-line ou de tube d'injection, le temps de passage sera de 8 minutes, ce qui est suffisant pour une dissolution 20 totale du polymère. Plus précisément, l'invention a pour objet une installation pour la récupération assistée du pétrole comprenant successivement : - une trémie de stockage de polymère hydrosoluble de granulométrie standard, 25 - un dispositif de broyage pour la mise en dispersion du polymère comprenant o un cône de mouillage dans lequel est dosé le polymère, le plus souvent par l'intermédiaire d'une vis doseuse, ledit cône étant connecté à un circuit d'arrivée d'eau primaire, o à l'extrémité inférieure du cône : 30 ^ une chambre de broyage et d'évacuation du polymère dispersé comprenant : • un rotor entraîné par un moteur et muni de couteaux, éventuellement inclinés par rapport au rayon du rotor,5 • un stator fixe constitué de lames éventuellement inclinées par rapport au rayon du rotor et espacées régulièrement, • l'ensemble rotor/stator permettant un broyage humide du polymère, • sur toute ou partie de la périphérie de la chambre, une couronne alimentée par un circuit d'eau secondaire, la couronne communiquant avec la chambre de telle sorte à assurer la pulvérisation d'eau sous pression sur les lames du stator permettant ainsi le dégagement du polymère broyé et gonflé à la surface desdites lames, • l'ensemble permettant de diminuer la vitesse de rotation et d'augmenter la concentration de la dispersion en sortie de chambre de broyage. - éventuellement, une pompe basse pression permettant l'alimentation sans cavitation de la pompe haute pression si la pression de l'appareil est insuffisante, - une pompe d'injection sous pression de la suspension de polymère dans le pipeline amenant l'eau d'injection en vue de l'introduction du mélange (polymère + eau d'injection) dans le puits, - ladite installation étant dépourvue de cuves additionnelles de dissolution. Dans la suite de la description et dans les revendications par � polymère de granulométrie standard �, on désigne un polymère de granulométrie comprise entre 0.15 et 1 mm, en particulier un copolymère d'acrylamide et/ou de méthacrylamide de très haut poids moléculaire (15 à 25 millions). Selon une première caractéristique, le mouillage du polymère dans le cône est assuré par surverse, le cône étant équipé dans ce cas d'une double enveloppe à la base de laquelle est connecté le circuit d' arrivée d'eau primaire. Alternativement, ce mouillage peut également se faire par tout autre système, en particulier de l'eau pulvérisée par des buses ou à jets plats. En pratique, le rotor est équipé de 2 à 20 couteaux, avantageusement entre 4 et 12. Néanmoins, en fonction du diamètre du rotor, le nombre de couteaux pourra varier. De même, le nombre de lames du stator est variable en fonction du diamètre de celui-ci. En pratique, il est de 50 à 300, avantageusement entre 90 et 200 pour un diamètre du rotor de 200 mm. Par ailleurs et selon une autre caractéristique, les couteaux sont éventuellement plus ou moins inclinés par rapport au rayon du rotor. Avantageusement, cette inclinaison est comprise entre 0 et 15°, de préférence entre 2 et 10°. Selon une autre caractéristique, la distance séparant les lames du stator entre elles est comprise entre 50 et 800 microns. De même, pour permettre un broyage efficace, la distance séparant les couteaux du rotor des lames du stator est comprise entre 50 et 300 microns, de préférence entre 100 et 200 microns, en pratique de l'ordre de 100 microns. Avantageusement, les lames du stator sont inclinées, avantageusement d'un angle inférieur à 10° par rapport au rayon du rotor. Ces lames sont soit assemblées dans un carter, soit taillées dans la masse d'un métal ou d'un composé à haute résistance. Dans un mode de réalisation avantageux, les couteaux du rotor ne sont pas inclinés tandis que les lames du stator le sont. Par ailleurs, s'agissant de la couronne périphérique, celle-ci communique avec la chambre de broyage et d'évacuation par le biais de perforations sous la forme de trous, de fentes ou équivalent dont la taille et la répartition sur la couronne sont telles que l'eau secondaire puisse être propulsée sur les lames constitutives du stator à une pression permettant d'éviter l'encrassement, par le polymère gélifié, des espaces séparant les lames. Dès lors, la pression exercée par l'effet de pompe du rotor peut être fortement diminuée sans risque de bouchage. Plus l'espacement des lames est faible et plus la pression nécessaire à une marche continue est élevée. Bien entendu, la trémie de stockage permet l'alimentation continue et reçoit le polymère soit 25 en vrac (camions), soit en sacs de diverses contenances. Selon une caractéristique essentielle, l'installation est dépourvue de cuve de dissolution, la dissolution proprement dite s'opérant directement dans le pipeline dans lequel le polymère dispersé est injecté et dans lequel circule l'eau d'injection. Un équilibreur de pression à 30 membrane peut être adjoint pour éviter les pulsations du système dues aux régulations des débits. Dans un mode de réalisation particulier, lorsque la cuve de dissolution/maturation est éloignée du dispositif de broyage, on intercale une pompe volumétrique (de type Moyno) avec un variateur de vitesse permettant de maintenir une pression définie (1 à 3 bars) à l'entrée des pompes haute pression d'injection. Cette pression permet d'alimenter la pompe haute pression sans cavitation. Les pompes d'injections sont par exemple des pompes triplex à vis ou autre. L'invention a également pour objet un procédé de récupération assistée du pétrole mettant en oeuvre l'installation précédemment décrite. Selon ce procédé, en continu et sous atmosphère inerte, avantageusement d'azote : on alimente le dispositif de broyage en polymère de granulométrie standard, dans le dispositif de broyage : o on prémouille le polymère dans le cône de mouillage par une quantité d'eau primaire permettant d'obtenir une suspension de polymère à une concentration 15 de 15 à 100 g/1, avantageusement de 20 à 80 g/1, o puis, instantanément, dans la chambre de broyage et d'évacuation, on réduit la taille du polymère pré-mouillé, en pratique à une dimension de 50 à 200 microns par cisaillement du polymère entre les couteaux du rotor et les lames du stator sans dégradation de poids moléculaire du polymère, 20 o puis, on décolmate avec l'eau secondaire sous pression provenant de la couronne périphérique, les interstices séparant les lames du stator dans lesquelles le polymère gonflé est susceptible de se fixer, - on transfère ensuite le polymère dispersé jusqu'à la pompe d'injection sous pression, éventuellement au moyen d'une pompe de soutirage à une pression comprise entre 1 et 25 3 bars, - on injecte au moyen de la pompe le polymère dispersé dans le pipeline dans lequel circule l'eau d'injection en vue de l'introduction du mélange (polymère + eau d'injection) dans le puit. 30 En pratique, selon une caractéristique du procédé, la vitesse de rotation du rotor est comprise entre 2000 à 5000 t/min, en moyenne de l'ordre de 3000 t/min pour un diamètre de coupe de 200 mm. Elle est comprise entre 3000 et 6000 t/min pour un diamètre de coupe de 10 cm et entre 1500 et 3000 t/min pour un diamètre de coupe de 40 cm. Plus généralement, en fonction du diamètre du rotor aussi désigné diamètre de coupe, la vitesse périphérique du rotor est comprise entre 20 et 40 m/s au lieu de 90 à 120 m/s pour un Comitrol� 1500. Par ailleurs, pour éviter de boucher l'espace existant entre les lames du stator par le polymère broyé, l'eau secondaire est propulsée au travers des perforations de la couronne à une pression d'au moins 1 bar, le plus souvent à la pression du réseau d'eau, soit de 3 à 6 bars ou supérieure pour des intervalles très fins, de manière générale comprise entre 1 et 10 bars. En pratique, l'eau d'injection est une saumure provenant d'eau de production de pétrole, eau 10 de mer ou d'eau d'aquifère. De même, le polymère est un (co)polymère d'acrylamide et/ou de méthacrylamide. Avantageusement, la température de l'eau d'injection est comprise entre 20°C et 80°C. Cependant, en cas d'utilisation d'eau de mer, celle- ci étant prélevée dans les couches 15 moyennes (50 à 200 m), sa température pourra être beaucoup plus basse (4 à 10°C). L'invention et les avantages qui en découlent ressortiront bien des exemples ci-après, à l'appui des figures annexées. 20 La figure 1 est une représentation schématique d'une installation de l'invention. La figure 2 est une vue schématique latérale du dispositif de broyage. La figure 3 est une vue en section selon la ligne AA' de la figure 2. Exemple 1 : installation Sur la figure 1, on a représenté l'installation mettant en oeuvre le procédé de l'invention. L'installation comporte un silo de stockage (1) du polymère sous forme de poudre, laquelle présente, à sa base, une vis doseuse (2) assurant le transfert du polymère dans le dispositif de broyage (3) sous azote (4). Le dispositif de broyage est plus particulièrement représenté sur les figures 2 et 3. 25 30 Le dispositif de broyage comprend : un cône de mouillage (11) connecté à son sommet à une colonne (12) dosant le polymère de granulométrie standard, le plus souvent par l'intermédiaire d'une vis doseuse, le cône (11) étant connecté dans sa partie inférieure à un circuit d'arrivée 5 d'eau primaire (13) lequel alimente une surverse (14, 14'), à l'extrémité inférieure du cône, un ensemble (15) comprenant : o une chambre de broyage et d'évacuation (16) (figure 2) du polymère dispersé comprenant : ^ un rotor (17) entraîné par un moteur (18) et muni de couteaux (19), ^ un stator (20) fixe constitué de lames (21) espacées régulièrement et légèrement inclinées par rapport au rayon du rotor, o sur toute ou partie de la périphérie de la chambre, une couronne (22) alimentée par un circuit d'eau secondaire (23), la couronne (22) communiquant avec la chambre (16) par le biais de fentes (24) assurant la pulvérisation d'eau sous pression sur les lames (21) du stator (20). Dans le dispositif de broyage : o on prémouille le polymère dans le cône de mouillage par une quantité d'eau primaire permettant d'obtenir une suspension de polymère à une concentration de 20 à 80 o puis, instantanément, dans la chambre de broyage et d'évacuation, on réduit la taille du polymère pré-mouillé à une dimension de 50 à 200 microns par cisaillement du polymère entre les couteaux du rotor et les lames du stator, o puis, on décolmate avec l'eau secondaire sous pression provenant de la couronne périphérique, les interstices séparant les lames du stator dans lesquelles le polymère gonflé est susceptible de se fixer. Le polymère est ensuite soutiré de l'unité de broyage et de dilution au moyen d'une pompe Moyno (5) pour être transféré par le biais d'une canalisation (6) jusqu'à un T (7) où le 30 polymère est mélangé avec la saumure (8), avant d'être injecté dans le pipeline (10) s'étendant jusqu'au puit P, au moyen d'une pompe d'injection (9). 10 15 20 25 Exemple 2 : application Conditions applicatives : - Un champ pétrolier dispose de 6 puits d'injection et de 12 puits de production. - La pression de chaque puits est comprise entre 70 et 100 bars. La distance entre le point de mise en suspension du polymère et la tête d'injection de ces puits varie de 400 à 3600m. La profondeur moyenne des puits est de 700m. La pression de chaque puits est maintenue par un réducteur de pression (choke) posé sur l'eau de dilution avant le mélange avec le polymère de manière à ne pas dégrader mécaniquement celui-ci. - Le débit d'eau d'injection par puit est, au maximum, de 40 m3/h avec un total pour les 6 puits inférieur à 240 m3/h. Cette quantité est adaptée de manière à maintenir la pression en tête de chaque puits pour éviter la fracturation du réservoir. - La température de l'eau de production traitée et réinjectée est de 55°C avec une TDS (� Total Dissolved Solid � ou salinité) de 18000 ppm. - La perméabilité des puits est de 2000 milliardièmes. Le polymère : Le polymère est un polyacrylamide 30% anionique, poids moléculaire 17 millions. Il est 20 injecté à la concentration de 1200 ppm soit une viscosité de 14 cps. La quantité de polymère utilisée par heure est de 288 kilos. L'installation : Le matériel utilisé comprend : 25 1) Un silo de 60 m3 contenant le polymère et alimenté par camion vrac. 2) Un dispositif de broyage selon l'invention placé sous couverture d'azote ( Une cascade de contrôle permet de maintenir la pression de 1 bar à l'aspiration des pompes 10 Triplex en modulant la pompe de soutirage et en jouant sur le débit d'eau secondaire et le débit de la poudre de l'unité de broyage. L'injection par cette méthode sur plusieurs mois ne montre aucun problème de blocage du puits ou d'augmentation de pression. Remarque annexe : L'installation de l'invention est particulièrement adaptée pour l'injection de polymères associatifs, � polymères peignes � ou � polymères étoiles � qui ont une tendance importante à mousser, ce problème étant résolu par la suppression des cuves de dissolution. Il faut 15 5 cependant tenir compte que ce type de polymères a une dissolution plus longue que des polymères dits standards (généralement 4 à 5 heures à 20°C). Une utilisation de l'installation de l'invention et de l'eau de production à une température élevée (40 à 60°c) permet dans la majorité des cas une injection directe. Parallèlement et de façon évidente pour l'homme de métier, cette installation s'applique à tout autre type de polymère hydrosoluble injectable (dérivés cellulosiques, gomme xanthane, polyvinylpyrolidone... ). 12 REVENDICATIONS 1/ Installation pour la récupération assistée du pétrole comprenant successivement : une trémie de stockage (1) de polymère hydrosoluble de granulométrie standard, 5 - un dispositif de broyage (3) pour la mise en dispersion du polymère comprenant : • un cône de mouillage (11) dans lequel est dosé le polymère, ledit cône étant connecté à un circuit d'arrivée d'eau primaire (13), • à l'extrémité inférieure du cône : ^ une chambre de broyage et d'évacuation (16) du polymère dispersé 10 comprenant : un rotor (17) entraîné par un moteur (18) et muni de couteaux (19) éventuellement inclinés par rapport au rayon du rotor (17), un stator (20) fixe constitué de lames (21) éventuellement inclinées par rapport au rayon du rotor (17) et espacées régulièrement, 15 ^ sur toute ou partie de la périphérie de la chambre, une couronne (22) alimentée par un circuit d'eau secondaire (23), la couronne communiquant avec la chambre (16) de telle sorte à assurer la pulvérisation d'eau sous pression sur les lames du stator permettant ainsi le dégagement du polymère broyé et gonflé à la surface desdites lames. 20 une pompe d'injection (5) sous pression de la suspension de polymère dans le pipeline amenant l'eau d'injection en vue de l'introduction du mélange (polymère + eau d'injection) dans le puit (P), ladite installation étant dépourvue de cuves additionnelles de dissolution. 25 2/ Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce que les couteaux (19) sont inclinés d'un angle compris entre 0 et 15°, avantageusement 2 à 10° par rapport au rayon du rotor (17). 3/ Installation selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la distance séparant 30 les lames du stator (20) entre elles, est comprise entre 50 et 800 microns, tandis que la distance séparant les couteaux (19) du rotor (17) des lames (21) du stator (20) est comprise entre 50 et 300 microns, avantageusement entre100 et 200 microns. 13 2922256 4/ Procédé de récupération assistée du pétrole mettant en oeuvre l'installation objet de l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que, en continu et sous atmosphère inerte : - on alimente le dispositif de broyage en polymère de granulométrie standard, - dans le dispositif de broyage : o on prémouille le polymère dans le cône de mouillage (11) par une quantité d'eau primaire permettant d'obtenir une suspension de polymère à une concentration de 15 à 100 g/1, avantageusement de 20 à 80 g/1, o puis, instantanément, dans la chambre de broyage et d'évacuation (16), on réduit la taille du polymère pré-mouillé par cisaillement du polymère entre les 10 couteaux (19) du rotor (17) et les lames (21) du stator (20), o puis, on décolmate avec l'eau secondaire sous pression provenant de la couronne périphérique (22), les interstices séparant les lames (21) du stator (20) dans lesquelles le polymère gonflé est susceptible de se fixer, on transfère ensuite le polymère dispersé jusqu'à la pompe d'injection (9) sous 15 pression, - on injecte au moyen de la pompe (9) le polymère dispersé dans le pipeline (10) dans lequel circule l'eau d'injection en vue de l'introduction du mélange (polymère + eau d'injection) dans le puit (P). 20 5/ Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que la vitesse de rotation périphérique du rotor (17) est comprise entre 20 et 40 m/s. 6/ Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'eau secondaire est propulsée une pression comprise entre 1 et 10 bars, de préférence entre 3 et 6 bars. 7/ Procédé selon l'une des revendications 4 à 6, caractérisé en ce que le polymère est un (co)polymère d'acrylamide et/ou de méthacrylamide. 25