Brevet FR2948964A1 — publié le 20110211

METHODE DE DISSOLUTION CONTINUE D'EMULSIONS DE POLYACRYLAMIDES POUR LA RECUPERATION ASSISTEE DU PETROLE (RAP) Les polyacrylamides sont produits industriellement sous diverses formes : poudres, émulsions eau dans huile, billes polymérisées en suspension, émulsions eau dans eau, solutions aqueuses, suspensions hydroalcooliques... Ces polymères peuvent avoir des caractéristiques physico-chimiques semblables et 10 sont le plus souvent choisis sur deux critères : - Le coût et, dans ce cas, les poudres sont sélectionnées, - Leur facilité de manipulation et, malgré des coûts plus élevés on choisit des émulsions. Ces émulsions ont été inventées en 1957 par J.W. Vanderhoff et R.M. Wiley (USP 3.284.393). Ces premières émulsions contenaient des micro-gels de polymères émulsifiés dans 20 une huile par l'intermédiaire d'un ou plusieurs tensioactifs de faible HLB (balance hydrophile ù hydrophobe) de l'ordre de 2 à 6. Telles qu'étaient ces émulsions il était très difficile de mettre les micro-gels de polymère directement en solution, car la barrière du tensioactif était très difficile à franchir par l'eau de dissolution. 25 Elles étaient donc habituellement séchées par spray drying pour donner une poudre qui se dissolvait plus ou moins bien. En 1970 Messieurs D.R. Anderson et A.J. Frisque (Brevet USP 3.624.019) découvraient qu'il était possible d'inverser ces émulsions, en ajoutant un tensioactif 30 hydrophile (HLB>8). Ce tensioactif hydrophile permettait à l'eau de pénétrer dans la bille de polymère et de le dissoudre en quelques minutes. Au départ, ce tensioactif était livré et ajouté séparément dans l'eau de dilution. 35 Mais très vite, les sociétés de production ont pu mettre au point des formulations dans lesquelles il était possible d'incorporer des tensioactifs inverseurs dans l'émulsion elle-même, sans que celle-ci ne coagule. 15 Cette opération est sensible car la quantité de tensioactif hydrophile ajoutée était limitée par le phénomène de coagulation soit à la production, soit au stockage. L'industrialisation de ce procédé a fait l'objet de beaucoup de recherches successives 5 et de nombreux brevets. Cependant même aujourd'hui, il y a une limitation des possibilités d'inversion de l'émulsion avec deux facteurs principaux : 10 - La quantité de surfactant hydrophile ne créant pas de coagulation de l'émulsion à la production ou au stockage. La concentration de dissolution de l'émulsion dans l'eau. On constate habituellement que la quantité maximum de surfactant hydrophile, tout 15 système confondu, compatible avec l'émulsion est de l'ordre de 5% environ par rapport à l'émulsion. Cette quantité est celle observée avec les tensio-actifs les plus efficaces NPD (nonylphénol éthoxylé 9E0) ou alcools éthoxylés à 7 û 9 EO. On peut rajouter des 20 quantités plus fortes de tensio-actifs moins efficaces, mais sans amélioration de la dissolution. Avec un tel taux de tensio-actifs inverseurs, on constate que l'émulsion ne peut se dissoudre complètement dans l'eau en moins de 5 minutes, à une concentration 25 d'émulsion inférieure à 9-12 grammes/ litre soit environ sur des émulsions standard du commerce 4-5 grammes/litre (4 à 5000 ppm) de matière active. Cas particulier de la récupération assistée du pétrole 30 A cause des coûts produit, la RAP utilise principalement des poudres pour viscosifier l'eau injectée dans les puits de pétrole. Ces poudres de polyacrylamide sont mises en solution à une concentration finale de 500 à 2000 ppm pour être injectées dans le puits de pétrole à la pression du champ. 35 Dans certains cas, et en particulier lorsque le produit est utilisé sur des bateaux (FPSO) ou des plateformes offshore, la manipulation de quantités très importantes de poudre entre un bateau de service et le FPSO ou la plateforme posent de grands problèmes de transport pneumatique, aujourd'hui difficilement résolus. Ces utilisateurs décident dans ce cas d'utiliser une émulsion plus facile à transférer 5 par des moyens de pompage standards en pleine mer. Les exigences des utilisateurs sont très strictes : totale dissolution en moins de 5 minutes d'une manière complète et d'une manière continue. 10 Il est donc nécessaire de dissoudre l'émulsion à la concentration finale de 500 à 2000 ppm dans une tuyauterie en ligne, ce qui ne peut être obtenu avec une émulsion stable incorporée avec un tensioactif inverseur aux taux permettant la stabilité de celle-ci. 15 Le test alors utilisé consiste à mesurer les temps que mettent des volumes donnés de solution à 1000 ppm actif de polymère pour s'écouler au travers d'un filtre. La solution est contenue dans une cellule pressurisée à deux bars de pression et le filtre est de 47 mm de diamètre et de taille de pores 5 microns. 20 Les temps nécessaires pour obtenir 100 ml (tl00ml) ; 200 ml (t200ml) et 300 ml (t300ml) de filtrat sont donc mesurés et est défini alors un quotient de filtration (ou filter ratio noté � FR �) s' exprimant par : G aaa{ ù .ail iaa{ :` = 25 Les temps sont mesurés à 0,1 seconde près. Le FR représente ainsi la capacité de la solution de polymère à colmater le filtre pour deux volumes consécutifs équivalents. Un critère d'acceptabilité typique de l'industrie est un FR 35 La solution habituelle est de rajouter un tensioactif type NP9 (nonylphénol 9 EO) ou Alcool éthoxylé ou alcoxylé ou Dioctylsulfosuccinate ou autre tensio-actif anionique 30 dans une proportion très supérieure à 5% dans l'eau de dilution. Dans ces conditions, l'émulsion peut passer le test de filtrabilité. Cette solution est difficilement acceptable par l'utilisateur car : - Il faut manipuler et doser dans des conditions difficiles 2 produits chimiques différents avec un coût d'investissement supplémentaire non négligeable, - Le coût du tensioactif vient gêner la rentabilité du projet. Pour résumé, actuellement pour mettre en oeuvre les émulsions inverses, l'homme de 10 métier a donc le choix entre : - l'ajout supplémentaire de tensioactif inverseur avec les inconvénients précités ; - des installations continues ou discontinues de grandes tailles, coûteuses en investissement, volume et en maintenance 15 Le problème que se propose de résoudre l'invention est de mettre au point une méthode pour mettre en solution, en ligne et en continue, une émulsion inverse de (co)polymère d'acrylamide à la concentration d'injection de matière active de 500 à 2000 ppm, de manière à obtenir la filtrabilité inférieure à 1,5 en moins de 5 minutes 20 d'agitation. Pour cela le demandeur a développé une dissolution en ligne en 2 phases : - Une phase dispersion à haute concentration en ligne, - Une phase de dilution à la concentration finale en ligne. 25 Plus précisément, l'invention a pour objet un procédé de récupération assistée du pétrole consistant à mettre en solution, en continue, une émulsion inverse stable de (co)polymère d'acrylamide, comprenant au moins un agent inverseur selon lequel : - dans une première étape, on prédilue l'émulsion dans un premier mélangeur 30 statique monté en dérivation du circuit principal, à une concentration en copolymère d'au moins 5 g/1, de préférence comprise entre 5 et 20 g/1, avantageusement de l'ordre de 20 g/1, la différence de pression entre la sortie et l'entrée du mélangeur étant d'au moins 2 bars, avantageusement comprise entre 2 et 10 bars, de préférence 10 bars, 35 - dans une seconde étape, on dilue la suspension provenant du premier mélangeur, dans un second mélangeur statique monté sur le circuit principal, à une concentration correspondant à la concentration d'injection de l'eau dans le puits, comprise entre 500 et 3000 ppm, en pratique entre 1000 et 2000 ppm, la différence de pression entre la sortie et l'entrée du mélangeur étant d'au moins 1 bars, avantageusement comprise entre 1 et 3 bars, de préférence 3 bars. Par stabilité des ces émulsions inverses, on entend le fait d'éviter les phénomènes et inconvénients suivants : - une coagulation lente du polymère se traduisant par une forte prise en viscosité conduisant à termes à une solidification ; - des phénomènes de � croutage � ou de � raincycle � (évaporation, condensation) 10 dus aux conditions de stockage et conduisant à des masses visqueuses en surface ou dans la masse; - des formations de grumeaux, de peaux, de croutes ou de phénomène de � cirage � dus a la sensibilité de l'émulsion inverse aux phénomènes de cisaillements lors des étapes de pompage, de filtration et d'agitation inhérentes à l'utilisation de ces 15 émulsions ; ceci conduisant à la rupture des garnitures mécaniques de pompes ou au bouchage des filtres, vannes et clapets anti-retour ; - et enfin dans certains cas une décantation, i.e. une séparation des deux phases de l'émulsion. 20 L'homme de métier sait alors doser la quantité de tensioactif inverseur afin d'éviter tous les problèmes de stabilité énoncés précédemment, et ce dans la période de stockage standard de 6 mois. Il sait aussi qu'un surdosage en tensioactif inverseur accentue ces phénomènes. 25 Les limites supérieures de pression, bien que non critiques, peuvent, en pratique être limitées pour éviter la dégradation mécanique du poids moléculaire des polymères injectés lorsque le cisaillement est trop élevé. Selon l'invention, le débit d'eau d'injection dans le circuit principal est compris entre 30 100 et 200 m3/h et la pression d'injection est comprise entre 40 et 200 bars en fonction de la pression du champ. De même, le débit d'émulsion dans le premier mélangeur est compris entre 20 et 200 m3/h, suivant le type de forage (vertical, horizontal, multiple,...). En pratique, la concentration en (co)polymère de l'émulsion inverse avant prédilution est comprise entre 20 et 50% suivant les conditions de préparation. 35 5 Le procédé de l'invention met en oeuvre en pratique des (co)polymères d'acrylamide mais s'applique également aux polymères hydrosolubles dont les polymères avec des anionicités variables ou à des copolymères d'acrylamide avec d'autres comonomères comme l'AMPS (Acrylamido Methyl Propane Sulfonique Acid). Dans un mode de réalisation avantageux, le produit standard est une émulsion de polyacrylamide contenant 70% d'acrylamide et 30% d'acide acrylique. L'émulsion inverse selon l'invention contient en général un agent inverseur 10 incorporé à une concentration telle que l'émulsion reste stable. L'invention a également pour objet une installation pour la mise en oeuvre du procédé précédemment décrit. Ladite installation comprend successivement, monté en dérivation du circuit principal d'eau d'injection, un premier mélangeur statique 15 connecté à une cuve contenant l'émulsion à diluer puis un second mélangeur statique agencé directement sur le circuit principal. Dans un mode de réalisation avantageux, les mélangeurs sont des mélangeurs statiques du type de ceux commercialisés par SULZER sous les dénominations SMX 20 et SMV et décrits précisément dans le document EP1437173. De préférence, les mélangeurs statiques contiennent au moins 10 éléments de mélanges. Il est reconnu que les mélangeurs type SMX du SMY de la société Sulzer Chemtech Ltd û Sulzer - Allee 48 û CH 8404 Winterthur û Suisse pour l'Europe et Kenics, 25 Chemineer Inc, 125 Flagship Drive, North Andover, MA 01845 USA sont les plus efficaces. Des études comparatives avec les mélangeurs à hélice ou à trous ont été effectuées et publiées dans de nombreux articles, en particulier : 30 - "don't be baffled by Static Mixers" Thomas Bayer, Klaus Himmler, Volker Hessel, Chemical Engineering, May 2003, p 50 û 57, "Continuous mixing of fluids" Henzler, Ullmann, Vol 9 p 305-331. Bien entendu, d'autres mélangeurs peuvent être mis en oeuvre à la condition d'adapter leurs dimensions, ce qui a forcément un impact sur le coût de l'installation. L'invention et les avantages qui en découlent ressortiront bien des exemples suivants, à l'appui des figures annexées. La figure 1 est un schéma de l'installation de l'invention. Les figures 2 et 3 sont des schémas d'une installation non-conforme à celle de l'invention. Les figures 4 a, b c représentent les éléments de mélanges constitutifs des mélangeurs statiques SULZER du type SMX. 1/ Obtention de l'émulsion Pour obtenir une viscosité maximum dans les conditions d'utilisation, le produit standard est une émulsion de polyacrylamide contenant 70% d'acrylamide et 30% d'acide acrylique. Cette émulsion standard est produite d'une manière bien connue de l'Homme de l'art 20 avec plus ou moins de variations possibles. Dans une cuve de dissolution, on mélange en phase aqueuse : - 4596 Kg d'acrylamide à 50% obtenu par méthode biologique, - 1108 Kg d'acide acrylique glacial haute pureté, 25 - 1104 Kg d'eau - 1086 Kg de soude haute pureté à 50% - 360 gr de Bromate de soude - 4680 gr de Versenex 80, - 240 Kg d'acétate de sodium, 30 - 4320 gr de formiate de sodium Que l'on refroidit à 20° C. Dans un réacteur de 10 000 litres on prépare la phase huile en mélangeant : - 49 Kg d'Hypermer 2296 (CRODA) ù 3037 Kg d'Exsol D100 35 - 197 Kg d'oléate de sorbitan - 39 Kg de Tween 81 (CRODA) - 3600 gr d'AZDN. La phase aqueuse est rajoutée lentement dans la phase huile et le mélange est passé à travers un émulsifieur rotatif jusqu'à atteindre une viscosité de 1000 cps tout en 5 maintenant le mélange à 20°C. L'émulsion est alors dégazée avec un débit de 200 m3/h d'azote haute pureté ( La réaction continue à cette température, activée par l'AZDN durant 150 minutes. La réaction est alors terminée. On refroidit l'émulsion à 20 °C et on ajoute 4% de Plurafac LF 400 (BASF) en 30 minutes. Les essais de vieillissement en laboratoire montrent que l'on est proche de la 20 déstabilisation qui peut se produire vers 4,5 à 5% de Plurafac. Ce produit est le produit standard industriel qu'il faudra dissoudre en ligne en moins de 5 minutes avec une filtrabilité finale inférieure à 1,5 à une concentration de 500 à 2000 ppm. Le plus souvent à une concentration voisine de 1000 ppm de matière 25 active. 2/ Installation Comme représenté sur la figure 1, l'installation de l'invention comprend les éléments 30 suivants : La ligne principale (1) est la ligne d'injection d'eau à haute pression (water flooding) injectant 200 m3/h à une pression pouvant aller jusqu'à 120 bars. 35 Cette ligne d'injection est modifiée de la manière suivante : 1°) Un Bypass est installé avec un mélangeur statique Sulzer SMX DN 65 (MS1) contenant 15 éléments de mélange et une vanne sur la ligne principale (V 1) permet 8 15 de faire passer dans le mélangeur MS1 une quantité d'eau variable, mesurée et régulée par Dl. 2°) Une pompe triplex 130 bars (Tl) permet d'injecter des quantités variables 5 d'émulsions (2) avant ce mélangeur statique (MS1). 3°) au point de jonction du flux principal et du flux contenant le polymère, un second mélangeur statique est installé. C'est un mélangeur SMX DN 200 (MS2) contenant 15 éléments de mélange. 4°) Un échantillonneur (3) type API standard permet de prélever des échantillons sans dégradation mécanique. Ces échantillons sont ensuite agités 5 minutes sur agitateur magnétique et un test de filtrabilité est effectué. 15 5°) Une vanne pilotée (V2) permet de maintenir dans la ligne une pression de déchargement de 100 bars. Le temps de séjour dans l'ensemble du système varie entre 2 et 10 secondes environ. Les figures 2 et 3 sont des installations qui diffèrent de celle de la figure 1 dans le 20 positionnement et le nombre de mélangeurs statiques. Les mélangeurs SM1 et SM2 sont du type SMX du SMY de la société Sulzer Chemtech Ltd.. 25 Les figures 4a, 4b et 4c représentent un élément de mélange constitutif d'un mélangeur statique SULZER du type SMX. Chaque élément de mélange (4) comprend un corps cylindrique externe (5) renfermant les éléments de mélange proprement dits (6), lesquels se présentent sous la forme d'une structure en treillis spécifique. Le diamètre des éléments de mélange sont variables. Dans l'invention, les 30 diamètres des éléments de mélange des mélangeurs SM1 et SM2 sont différents et calculés par le constructeur de manière à obtenir les pertes de charge nécessaires à l'invention. C'est le cas des mélangeurs utilisés dans l'exemple 8. 3/ Exemples Pour tous les exemples, les conditions de test choisies sont des conditions moyennes rencontrées dans la récupération assistée du pétrole. 10 35 Composition de la Saumure NaCl - 15,4 g/1 CaC12, 2H20 - 2,54 g/1 MgC12, 6H20 - 2,1 g/1 NaHCO3, 0,62 g/l Exemple 1 L'installation d'injection est décrite dans le schéma n°l. On veut reproduire l'injection dans un puits de pétrole de 200 m3 de saumure contenant 1000 ppm de polymère soit 3300 ppm d'émulsion (660 litres/ heure). Ces volumes sont très supérieurs aux volumes actuels utilisés pour la floculation et il n'y a pratiquement pas d'expérience acquise dans ce domaine. On applique au système les conditions suivantes : MS1 Débit d'eau 20 m3/h Débit d'émulsion 660litres/h Perte de charge 2,8 bars MS2 Débit total 200 m3/h Perte de charge 2,4 bars On prélève un échantillon que l'on agite 5 minutes sur un agitateur magnétique, la 25 filtration obtenue est de 1,3. Exemple 2 On utilise le montage n°2 dans les conditions suivantes : MS2 Débit total 200 m3/h Perte de charge dans le mélangeur 2,3 bars La mesure de filtrabilité de la solution est difficilement mesurable et supérieure à 5. 10 30 35 Exemple 3 On utilise le montage n°3 utilisant deux mélangeurs statiques en ligne MS2+ MS3 du même type SMX DN 200. La perte de charge mesurée est de 4,9 bars. L'échantillon prélevé et agité 5 minutes montre encore une filtrabilité supérieure à 5. Exemple 4 On reproduit l'exemple N°l mais en diluant le polymère dans MS 1 avec une quantité d'eau moitié. Les conditions sont les suivantes : MS1 : Débit d'eau : 10 m3/h 15 Débit d'émulsion : 660 1/h Perte de charge : 1,2 bar. MS2: Débit total : 200 m3/h Perte de charge : 2,4 bars L'échantillon prélevé présente une filtrabilité de 2 indiquant que le mélange dans MS 1 est devenu insuffisant. Exemple 5 25 On reproduit l'exemple N°l mais en augmentant la quantité d'eau dans MS 1 à 40m3/h de manière à augmenter la perte de charge. Les conditions sont les suivantes : MS1 : Débit d'eau : 40 m3/h Débit d'émulsion : 6601/h 30 Perte de charge : 9,9 bars. MS2: Débit total : 200 m3/h Perte de charge : 2,4 bars L'échantillon prélevé présente une filtrabilité de 1,1 indiquant une dissolution pratiquement parfaite. 11 10 20 35 Exemple 6 Dans cet exemple, on fait varier les débits d'eau dans MS 1 tout en maintenant un débit de 100 m3/h total dans MS2 et en injectant 330 litres/heure d'émulsion pour 5 maintenir une concentration de polymère de 1000 ppm. Ce test est effectué pour obtenir le débit minimum compatible avec le schéma n° 1 Débit total Débit MS 1 Perte de Perte de Filtrabilité m3/h charge MS 1 charge MS2 100 20 2,8 1,2 1,6 100 40 10,0 1,2 1,3 10 On peut obtenir un bon résultat de filtrabilité à condition de maintenir dans MS 1 une perte de charge supérieure à 2.8 bars Exemple 7 Dans cet exemple, on reproduit l'exemple n°l mais on réduit le nombre d'éléments à 15 10. Les résultats sont les suivants : Débit total Débit MS 1 Perte de Perte de Filtrabilité m3/h charge MS 1 charge MS2 200 20 1 ,8 2,4 1,7 100 20 1,8 1,2 >2 Le fait d'utiliser le mélangeur statique à moins de 15 éléments standards diminue la filtrabilité au dessus des 1.5 recherchés 20 Exemple 8 Dans cet exemple, on utilise pour des débits d'eau d'injection maxi-mini 9 à 34 m3/h MS1 contient 15 éléments diamètre 25 mm type SMx25-15 MS2 contient 15 éléments diamètre 80 mm type SMx80-15 25 Le débit d'émulsion est de 0.19 m3/h. Les résultats obtenus sont les suivants : Débit total Débit MS 1 Perte de Perte de Filtrabilité m3/h charge MS 1 Charge MS2 34 6,3 10,2 3,1 1,1 12 3 4 4,7 5,9 3,0 1,2 9 6,3 1 0,2 0,7 1,9 17 6,3 10,9 1,2 1,4 1 7 4,7 5,9 1,2 1,5 On s'aperçoit que la perte de charge dans MS2 doit être suffisante pour maintenir la filtrabilité avec des résultats extrapolables entre les diverses dimensions d'appareils de dissolutions. La dissolution en ligne de très grandes quantités (jusqu'à plusieurs m3/h) d'émulsions de polyacrylamides à une concentration finale de 1000 à 2000 ppm n'est pas possible par un seul mélange direct par mélangeur statique. 10 En effet, la filtrabilité obtenue de la solution n'est pas suffisante pour une injection sans risque dans le cas de la récupération assistée du pétrole (RAP).5 REVENDICATIONS1/ Procédé de récupération assistée du pétrole consistant à dissoudre en continu, dans l'eau d'injection, une émulsion inverse stable de (co)polymère d'acrylamide contenant au moins un agent inverseur, selon lequel : dans une première étape, on prédilue l'émulsion dans un premier mélangeur statique monté en dérivation du circuit principal, à une concentration en (co)polymère d'au moins 5 g/l, la différence de pression entre la sortie et l'entrée du mélangeur étant d'au moins 2 bars, dans une seconde étape, on dilue la suspension provenant du premier mélangeur dans un second mélangeur statique monté sur le circuit principal, à une concentration correspondant à la concentration d'injection de l'eau dans le puits comprise entre 500 et 3000 ppm, la différence de pression entre la sortie et l'entrée du mélangeur étant d'au moins 1 bars. 2/ Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la concentration en (co)polymère dans la première étape est comprise entre 5 et 20 g/1, avantageusement de l'ordre de 20 g/l. 3/ Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la différence de pression entre la sortie et l'entrée du premier mélangeur est comprise entre 2 et 10 bars, avantageusement 10 bars. 4/ Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la différence de pression entre la sortie et l'entrée du second mélangeur est comprise entre 1 et 3 bars, avantageusement 3 bars. 5/ Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le débit d'eau d'injection dans le circuit principal est compris entre 100 et 200 m3/h à une pression comprise entre 40 et 200 bars en fonction de la pression du champ. 6/ Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la concentration en (co)polymère de l'émulsion inverse avant prédilution est comprise entre 20 et 50%. 7/ Installation mettant en oeuvre le procédé objet de l'une des revendications 1 à 8, caractérisée en ce qu'elle comprend successivement, montés en dérivation du circuit principal d'eau d'injection, un premier mélangeur statique connecté à une cuve contenant l'émulsion à diluer puis un second mélangeur statique agencé directement sur ce circuit principal.