Brevet FR2937737A1 — publié le 20100430

Le domaine d'application de cette invention concerne une méthode et un dispositif pour effectuer des mesures de quantification du soufre dans des 10 échantillons de sédiments, de produits pétroliers ou autres matériaux. Elle permet en particulier de caractériser et de quantifier le soufre dans des roches sédimentaires et dans des produits pétroliers (pétroles bruts, fractions pétrolières, produits de raffinage, ...), simultanément à la quantification des hydrocarbures et du carbone. Le temps d'analyse en condition standard peut 15 être de l'ordre de quatre-vingt dix minutes. L'industrie pétrolière se tourne de plus en plus vers la production de pétroles bruts non conventionnels, qui sont plus riches en soufre que les pétroles conventionnels. Par ailleurs, les contraintes de teneur en soufre des 20 produits de raffinage sont de plus en plus drastiques. Pour ces raisons, il est crucial de savoir quantifier le soufre dans les produits pétroliers et dans les roches des systèmes géologiques pétroliers, et de le caractériser le plus finement possible. Or, ces mesures fines sont délicates, voire impossibles dans certains cas. 25 Par exemple, il est impossible de définir les différentes formes moléculaires de soufre organique dans les composés organiques contenant plus de 40 atomes de carbone, qui sont pourtant les composés les plus soufrés des pétroles. D'autre part, discriminer le soufre organique du soufre minéral dans une roche nécessite, avec les moyens actuellement connus, plusieurs 30 opérations. 1 La présente invention permet d'apporter des informations sur les types de soufre, même dans un pétrole très lourd, et permet de discriminer le soufre organique du soufre minéral dans une roche. Elle a pour objectif principal d'être appliquée dans les domaines suivants : Exploration pétrolière : - pour aider à caractériser le type de matière organique, - pour identifier la qualité de l'huile en termes de soufre, - pour rechercher une corrélation entre le pétrole et la roche mère, - pour indiquer un niveau de biodégradation, phénomène qui a pour 10 conséquence de concentrer le soufre. Production pétrolière : - pour évaluer le risque de production d'H2S selon le type de soufre en présence, dans le cadre de la récupération assistée avec des procédés thermiques. 15 Raffinage : - dans le cadre de la désulfuration des huiles. Ainsi, la présente invention concerne une méthode pour la caractérisation et la quantification du soufre dans un échantillon de roches 20 sédimentaires ou de produits pétroliers, dans laquelle on effectue les étapes suivantes: on chauffe ledit échantillon dans un four de pyrolyse en atmosphère non oxydante, on tranfère les résidus de pyrolyse dudit échantillon dans un four 25 d'oxydation et on mesure en continu la quantité de SO2 contenue dans les effluents résultants de ladite chauffe oxydante, on oxyde une partie des effluents de pyrolyse et on mesure en continu la quantité de SO2 contenue dans ladite partie après oxydation. Selon une variante de la méthode, on peut mesurer: 30 les quantités de produits hydrocarbonés, de CO et de CO2 contenues dans les effluents de pyrolyse, - les quantités de CO et de CO2 contenues dans les effluents résultants de ladite chauffe oxydante. La température du four de pyrolyse peut être comprise entre 60 et 800°C. La température du four d'oxydation peut être comprise entre 100 et 1300°C. On peut oxyder ladite partie des effluents de pyrolyse dans un four comportant un catalyseur. L'invention concerne également un dispositif pour la caractérisation et 10 la quantification du soufre dans un échantillon de roches sédimentaires ou de produits pétroliers, comportant: - un four de pyrolyse dudit échantillon en atmosphère non oxydante, des moyens de tranfert des résidus de pyrolyse dudit échantillon 15 dans un four d'oxydation, - des moyens de mesure en continu de la quantité de SO2 contenue dans les effluents résultants de ladite chauffe oxydante, des moyens d'oxydation d'une partie des effluents de pyrolyse des moyens de mesure en continu de la quantité de SO2 contenue 20 dans ladite partie après oxydation. Le dispositif peut comporter des moyens de distribution selon trois voies des effluents de pyrolyse. Les moyens de distribution peuvent être chauffés à une température comprise entre 400 et 600°C. 25 Une des voies peut conduire l'effluent de pyrolyse dans lesdits moyens d'oxydation de façon à oxyder les composés soufrés en SO2. Les moyens d'oxydation d'une partie des effluents de pyrolyse peuvent comporter un four, un catalyseur et un moyen d'introduction d'air. Une des voies peut conduire l'effluent de pyrolyse dans des moyens de 30 mesure du CO et CO2. Une des voies peut conduire l'effluent de pyrolyse dans des moyens de mesure des composés hydrocarbonés. La méthode selon l'invention repose donc sur la mesure des gaz soufrés 5 émis par un échantillon qui est soumis à une pyrolyse, puis à une oxydation. 1. Phase de pyrolyse: L'échantillon est pyrolysé selon un programme de températures prédéfinies, dans un four balayé par un flux de gaz non oxydant. Une partie des effluents de pyrolyse est entraînée vers un détecteur à 10 ionisation de flamme où les hydrocarbures sont quantifiés. Une autre partie est entraînée vers un détecteur de CO2 et de CO. Une troisième partie est oxydée dans un four d'oxydation, en présence d'air et éventuellement d'un catalyseur. Là, les gaz soufrés sont oxydés en SO2. Ce SO2 est ensuite mesuré en continu, par exemple par un spectrophotomètre UV ou IR. On obtient ainsi 15 une mesure du SO2 en fonction de la température de pyrolyse et du temps. 2. Phase d'oxydation (oxydation à chaud): L'échantillon ayant subi l'étape de pyrolyse, est transféré depuis le four de pyrolyse vers un four d'oxydation. Le résidu y est oxydé selon un programme de températures prédéfinies, sous un flux d'air. Les effluents d'oxydation sont entraînés vers 20 des moyens de détection de SO2, de CO et CO2 pour une mesure en continu de ces gaz. On obtient ainsi une mesure du SO2 en fonction de la température d'oxydation et du temps. Caractérisation du soufre: A l'issue de ces traitements thermiques, on 25 dispose de deux profils de SO2, le premier en fonction de la température de pyrolyse et le second en fonction de la température d'oxydation. Chaque profil de SO2 comporte différents pics et est identifiable par le nombre de ces pics, leur température de sommet de pic, leur forme et leur aire. L'ensemble des deux profils constitue donc une empreinte unique caractérisant le soufre de 30 l'échantillon. Avec cette empreinte, on peut notamment discriminer différents types de composés soufrés, comme un soufre organique "labile", un soufre organique "très labile", un soufre organique "réfractaire" et le soufre issu de la pyrite FeS2. Quantification de la teneur en soufre: L'aire des pics de SO2, ramenée à celle d'un échantillon de référence dont on connaît la teneur en soufre, permet de déduire la teneur en soufre de l'échantillon analysé. On quantifie ainsi expérimentalement sa teneur en soufre, dit de pyrolyse, qui a été libéré au cours de la pyrolyse, et sa teneur en soufre dit d'oxydation, qui a été libéré au cours de l'oxydation du résidu de pyrolyse. La somme des deux teneurs est égale à la teneur en soufre total. La présente invention procure les avantages suivants : ^ Types d'échantillons variés: Ce procédé permet d'étudier une vaste gamme de types d'échantillons, 15 tels que : les roches mères, les kérogènes, les charbons, les roches réservoirs, 20 les pétroles bruts, les fractions pétrolières telles que les asphaltènes, les distillats pétroliers, en particulier, il est bien adapté aux produits organiques lourds. ^ Quantité faible d'échantillon: 25 Il n'est nécessaire pour l'analyse que de quelques milligrammes pour les liquides et de quelques dizaines de milligrammes pour les roches. ^ Durée brève d'analyse: Cette durée peut être de soixante à quatre-vingt dix minutes selon l'échantillon analysé. 30 ^ Facilité d'utilisation du dispositif: Une fois l'échantillon chargé, l'automate prend en charge toutes les étapes. ^ Information inédite sur le type de soufre: En plus de quantifier la teneur en soufre total, la méthode permet de discriminer différents types de soufre, ce qui est difficile et long par d'autres techniques (Chromatographie en phase gazeuse bidimensionnelle, Spectroscopie de structure près du front d'absorption de rayons X (XANES)...), voire impossible selon le type de soufre : - soufre organique "très labile" soufre organique "labile" soufre non pyrolysable appelé soufre "réfractaire" soufre pyritique sulfates ^ Obtention d'une empreinte unique du soufre pour chaque 15 échantillon. La présente invention sera mieux comprise et ses avantages apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante, nullement limitative, d'un mode de réalisation et d'exemples de mise en oeuvre, illustrés 20 par les figures ci-après annexées, parmi lesquelles: - la figure 1 illustre schématiquement le dispositif selon l'invention, - la figure 2-a montre, dans le cas d'un pétrole brut, un exemple d'enregistrement du SO, libéré au cours de la pyrolyse, - la figure 2-b montre, dans le cas d'un pétrole brut, un exemple 25 d'enregistrement du SO, libéré au cours l'oxydation, - la figure 3-a montre, dans le cas d'une roche mère, un exemple d'enregistrement du SO2 libéré au cours de la pyrolyse, la figure 3-b montre, dans le cas d'une roche mère, un exemple d'enregistrement du SO, libéré au cours de l'oxydation 30 - la figure 4 montre les teneurs en soufre total de différents types d'échantillons confondus, huiles, huiles lourdes, kérogènes, composés soufrés purs, mesurée avec cette invention (en ordonnée) et par coulométrie (en abscisse). Le dispositif mettant en oeuvre la méthode se compose principalement 5 de trois fours et de trois détecteurs. Deux fours sont utilisés pour le traitement thermique de l'échantillon: l'un, balayé par un flux de gaz inerte, est destiné à la pyrolyse de l'échantillon, l'autre, balayé par un flux d'air ou d'oxygène, est destiné à l'oxydation du résidu de pyrolyse. 10 Un troisième four est dédié à l'oxydation d'une fraction des effluents de pyrolyse. Les trois détecteurs sont: un détecteur à ionisation de flamme (FID) pour les hydrocarbures provenant de la pyrolyse, un spectrophotomètre infrarouge (IR) pour le CO et le CO2 provenant de la pyrolyse et de l'oxydation, 15 et un spectrophotomètre ultraviolet (UV) ou infrarouge (IR) pour le SO2 provenant de la pyrolyse et de l'oxydation. La figure 1 illustre une réalisation du dispositif selon l'invention. Un four de pyrolyse 1 chauffe l'échantillon entre 60°C et 800°C, avec une 20 programmation de température prédéfinie. La vitesse de chauffe est comprise entre 1°C/min et 50°C/rnin. Le four est balayé par un gaz inerte, par exemple de l'azote, avec un débit variant de 50 ml/min à 200 ml/min, qui entraîne les effluents de pyrolyse vers les analyseurs. L'azote est amené dans le four par une tubulure 2. La nacelle 3 contient l'échantillon. Le four peut être fait en 25 inox, en alumine, porcelaine, quartz ou autre matériau adéquat. La nacelle 3 peut être en inox. Cependant, dans le cas de l'analyse du soufre et pour les oxydations à haute température, la nacelle sera de préférence en alumine ou en porcelaine, afin d'éviter la rétention de soufre sur ses parois et pour qu'elle résiste aux hautes températures. Cette nacelle est introduite dans le four de 30 pyrolyse au moyen d'un piston 4. Celui-ci peut être fait en inox, mais sera de préférence en alumine ou en porcelaine, pour résister à l'oxydation aux fortes températures. Un four d'oxydation 1' chauffe le résidu de pyrolyse entre 100°C et 1300°C, avec une programmation de température prédéfinie. Le four est balayé par de l'air ou de l'oxygène avec un débit constant compris entre 50 ml/min et 200 mllmin. Ce gaz vecteur est amené dans le four par la tubulure 2', et entraîne les effluents d'oxydation vers les analyseurs. La nacelle 3 contient l'échantillon après pyrolyse. Elle est introduite dans le four d'oxydation au moyen d'un piston 4'. Un four d'oxydati:on des effluents de pyrolyse 5 se situe entre le four de pyrolyse et l'analyseur de SO2. Il est destiné à transformer les effluents de pyrolyse soufrés en SO2. L'oxydation se produit à une température constante comprise entre 500°C et 1000°C, en présence d'air ou d'oxygène. Ce four, peut fonctionner selon sa température, avec un catalyseur d'oxydation 6, par exemple du trioxyde de tungstène (WO2), ou sans catalyseur. Un diviseur des flux de gaz 10, chauffé entre 400°C et 600°C, est situé en sortie du four de pyrolyse 1. Il est associé à deux pompes et deux débitmètres massiques, et il permet de diviser le flux de gaz qui sort du four de pyrolyse 1 selon trois voies : - une dirigée vers le détecteur FID 7; - une seconde dirigée vers le spectromètre infrarouge 8; - une troisième orientée vers le spectromètre infrarouge, ou ultraviolet 9, après passage dans le four d'oxydation 5. Une tubulure 11, située entre le diviseur de flux 10 et le four d'oxydation 25 des effluents de pyrolyse 5, permet d'amener de l'air ou de l'oxygène qui va servir à l'oxydation des effluents de pyrolyse. Un système électronique de régulation des débits, associé à deux pompes, permet de contrôler les débits de gaz vers les détecteurs. Le détecteur à ionisation de flamme 7 (FID) mesure les effluents de 30 pyrolyse hydrocarbonés. Ceux-ci sont amenés par le courant de gaz inerte, dont le débit peut être compris entre 20 ml/min et 70 mllmin. Le spectrophotornètre IR 8 analyse le CO, le CO2. Le spectrophotornètre IR ou UV 9, analyse le SO2. Un piège à eau 12, pouvant contenir du perchlorate de magnésium Mg(Cl04)2, est placé en sortie du four d'oxydation des effluents de pyrolyse 5. Un piège à eau 12', pouvant contenir de la driérite, est situé entre le diviseur de flux 10 et le détecteur 8 de CO et CO2. Un piège à eau 12", pouvant contenir du perchlorate de magnésium, est situé en sortie du four d'oxydation l'. Les effluents du four d'oxydation 1' sont conduits vers les détecteurs 8 et 10 9, respectivement de CO, CO2 et SO2, par les canalisations référencées 13 et 14. Fonctionnement du dispositif 1. Phase de pyrolyse On détaille ici la phase de pyrolyse, en se référant à la figure 1 qui 15 représente schématiquement les éléments en liaison avec le four de pyrolyse 1. On place dans la nacelle 3 un échantillon de sédiment géologique, ou d'un produit pétrolier, par exemple un pétrole brut, une fraction d'huile ou un distillat pétrolier. Selon le type d'échantillon, la masse nécessaire à l'analyse est la suivante: 20 La nacelle 3 est introduite dans le four de pyrolyse 1 au moyen du piston automatisé 4. Un gaz inerte (azote, hélium, ...) est admis dans le four avec un 25 débit compris entre 50 ml/min et 200 ml/min, par l'intermédiaire de la tubulure 2. Ce gaz, appelé gaz vecteur, balaie le four et entraîne les effluents qui y sont générés pendant la pyrolyse. Le four 1 est chauffé entre 60°C à 800°C, avec un programme d'élévation de la température prédéfini. La phase d'accroissement de la température se 30 fait à une vitesse constante, généralement comprise entre 1°C/min et Roches 20 à 100 mg Kérogènes et charbons 2 à 20 mg Pétroles, huiles, distillats pétroliers 2 à 10 mg 50°C/min. Les effluents générés sont continuellement balayés par le gaz vecteur et entraînés hors du four vers le diviseur de flux de gaz 10. Les effluents sont divisés en trois parties, dont le débit est régulé et contrôlé par des dispositifs électroniques : o vers le FID 7, où les composés hydrocarbonés sont mesurés, o vers le spectrophotomètre infrarouge 8, où le CO et le CO2 sont mesurés, o vers le four d'oxydation des effluents de pyrolyse 5. Avant d'atteindre ce four, le gaz est mélangé à un flux d'air ou d'oxygène amené par la tubulure 11. Ce mélange gazeux pénètre dans le four d'oxydation 5 qui est chauffé à une température constante comprise entre 500°C et 1000°C. Ce four peut, selon la température retenue, contenir un catalyseur d'oxydation, tel que le trioxyde de tungstène. Les composés soufrés contenus dans le gaz y sont transformés majoritairement en SO2. Les gaz passent ensuite au travers d'un piège à eau 12, composé par exemple de perchlorate de magnésium Mg(Cl04)2. La majeure partie de l'eau contenue dans le gaz y est retenue. Les gaz arrivent au détecteur 9 adapté à mesurer en continu le SO2. 2. Phase d'oxydation On détaille ici la phase d'oxydation, en se référant à la figure 1. A la fin de la phase de pyrolyse, la nacelle 3 est transférée par un automate (non représenté) depuis le four de pyrolyse 1 vers le four d'oxydation 1'. Le four d'oxydation 1' est chauffé en suivant un programme d'élévation de la température, depuis 100°C jusqu'à une température finale qui peut atteindre 1300°C. Cette température finale est ajustée selon le type d'échantillon à étudier (huile, roche, etc..). La phase d'augmentation en température se fait à une vitesse constante, généralement comprise entre 1°C/min et 50°C/min. Pendant la chauffe, de l'air ou de l'oxygène est admis dans le four 1' par l'intermédiaire de la tubulure 2', avec un débit compris entre 50 ml/min et 200 ml/min. Ce gaz, appelé gaz vecteur, balaie le four et entraîne continuellement les effluents qui sont générés par oxydation. Au cours de cette étape, le soufre restant après pyrolyse est oxydé en SO2. De même, le carbone restant après pyrolyse est oxydé en CO et CO2. Les effluents sont entraînés hors du four et percolent au travers du piège à eau 12", où la majeure partie de l'eau contenue dans le gaz est retenue. Le SO2, le CO et le CO2 sont mesurés en continu en fonction du temps avec le détecteur spécifique à chaque espèce : le spectromètre 8 pour le CO et le CO2 et le spectromètre 9 pour le SO2. Pour obtenir un résultat quantitatif, un calibrage du système est nécessaire. Exemples d'application On présente ici deux exemples d'application, qui permettent de mieux comprendre le type d'information sur le soufre qui est fourni par l'invention. Un exemple porte sur u:n pétrole brut lourd et l'autre porte sur une roche mère type contenant de la pyrite et des sulfates. La figure 2a présente ]e signal SO2 enregistré au cours de la pyrolyse et la figure 2b présente le signal SO2 enregistré au cours de l'oxydation, d'un échantillon type de pétrole brut lourd. L'axe des abscisses représente le temps en secondes. L'axe des ordonnées de gauche représente la température' dans le four. L'axe des ordonnées de droite représente la quantité en milligrammes de SO2 mesurée par seconde. Pendant la pyrolyse, le pétrole est soumis à une température de 300°C pendant 5 minutes, puis à une température croissant à la vitesse de 25°C/min jusqu'à environ 650°C (courbe pointillée). Puis, pendant l'oxydation (figure 2-b), le résidu de pyrolyse est soumis à une température constante de 300°C pendant 1 minute puis à une température croissant de 300°C à 750°C à la vitesse de 25°C/min (courbe pointillée). Sur la figure 2-a, on distingue deux pics: - le pic A, qui est issu de composés organiques soufrés très labiles contenus dans le pétrole brut, le pic B, qui est issu de composés organiques soufrés labiles contenus dans le pétrole brut. Sur la figure 2-b, le pic C correspond au SO2 issu de composés organiques soufrés réfractaires. Les figures 3-a et 3-b présentent les signaux SO2 types que l'on peut obtenir avec l'invention sur une roche mère contenant du soufre sous différentes formes: soufre organique, contenu dans le kérogène et dans l'huile, soufre de pyrite et soufre de sulfates. Pendant la pyrolyse (figure 3-a), la roche mère est soumise à une température de 300°C pendant 5 minutes, puis à une température croissant à la vitesse de 25°C/min jusqu'à environ 650°C (courbe pointillée). Pendant l'oxydation (figure 3-b), le résidu de pyrolyse est soumis à une température constante de 300°C pendant 1 minute puis à une température croissant de 300°C à 1200°C, à la vitesse de 25°C/min (courbe pointillée). La figure 3-a montre trois pics : le pic A, qui est issu de composés organiques soufrés très labiles - le pic B, qui est issu de composés organiques soufrés labiles le pic C, qui est issu de la pyrite. La figure 3-b montre trois pics : - le pic D, qui est issu de composés organiques soufrés réfractaires le pic E, qui est issu de la pyrite le pic F, qui est issu des sulfates. Comparaison des mesures de teneur en soufre à l'aide de la présente invention et de la mesure par coulométrie: La teneur en soufre a été mesurée sur différents types d'échantillons, d'une part avec cette invention et d'autre part par coulométrie. La coulométrie est fréquemment utilisée pour quantifier le soufre dans les roches et dans les huiles. Elle nous fournit ici une mesure de référence. Les résultats, présentés sur la figure 4, ont été obtenus sur des échantillons aussi variés que des huiles contenant du soufre entre 0,5% et 5% poids, des roches et des kérogènes contenant du soufre entre 10% et 20% poids, et des polymères soufrés contenant du soufre entre 15% et 30% poids. L'axe des abscisses représente la teneur massique en soufre mesurée par coulométrie. L'axe des ordonnées représente la teneur massique en soufre mesurée avec cette invention. Les résultats montrent une très bonne adéquation entre les deux techniques, sur une gamme de teneur en soufre de 0,5% à 30% poids. REVENDICATIONS1) Méthode pour la caractérisation et la quantification du soufre dans un échantillon de roches sédimentaires ou de produits pétroliers, dans laquelle on effectue les étapes suivantes: on chauffe ledit échantillon dans un four de pyrolyse (1) en atmosphère non oxydante, on tranfère les résidus de pyrolyse dudit échantillon dans un four d'oxydation (1') et on mesure en continu la quantité de SO2 contenue dans les effluents résultants de ladite chauffe oxydante, on oxyde une partie des effluents de pyrolyse et on mesure en continu la quantité de SO2 contenue dans ladite partie après oxydation. 2) Méthode selon la revendication 1, dans laquelle on mesure: les quantités de produits hydrocarbonés, de CO et de CO2 contenues dans les effluents de pyrolyse, les quantités de CO et de CO2 contenues dans les effluents résultants de ladite chauffe oxydante. 3) Méthode selon l'une des revendications 1 ou 2, dans laquelle la température du four de pyrolyse est comprise entre 60 et 800°C. 4) Méthode selon l'une des revendications 1 à 3, dans laquelle la température du four d'oxydation est comprise entre 100 et 1300°C. 5) Méthode selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle on oxyde ladite partie des effluents de pyrolyse dans un four comportant un catalyseur.30 6) Dispositif pour la caractérisation et la quantification du soufre dans un échantillon de roches sédimentaires ou de produits pétroliers, comportant: un four de pyrolyse (1) dudit échantillon en atmosphère non oxydante, des moyens de tranfert des résidus de pyrolyse dudit échantillon dans un four d'oxydation (l'), des moyens de mesure en continu de la quantité de SO2 contenue dans les effluents résultants de ladite chauffe oxydante, des moyens d'oxydation (5) d'une partie des effluents de pyrolyse des moyens de mesure en continu (9) de la quantité de SO2 contenue dans ladite partie après oxydation. 7) Dispositif selon la revendication 6, comportant des moyens de 15 distribution (10) selon trois voies des effluents de pyrolyse. 8) Dispositif selon la revendication 7, dans lequel lesdits moyens de distribution sont chauffés à une température comprise entre 400 et 600°C. 9) Dispositif selon l'une des revendications 7 à 8, dans lequel une des voies conduit l'effluent de pyrolyse dans lesdits moyens d'oxydation (5) de façon à oxyder les composés soufrés en SO2. 25 10) Dispositif selon l'une des revendications 6 à 9, dans lequel les moyens d'oxydation d'une partie des effluents de pyrolyse comportent un four, un catalyseur et un moyen d'introduction d'air. 11) Dispositif selon l'une des revendications 7 à 10, dans lequel une des 30 voies conduit l'effluent de pyrolyse dans des moyens de mesure (8) du CO et CO2. 10 20 12) Dispositif selon l'une des revendications 7 à 11, dans lequel une des voies conduit l'effluent de pyrolyse dans des moyens de mesure des composés hydrocarbonés.5