Brevet FR2951493A1 — publié le 20110422

MATERIEL DE DISSOLUTION RAPIDE DE POLYACRYLAMIDES EN POUDRE POUR DES OPERATIONS DE FRACTURATION La production de gaz dans des réservoirs argileux (schiste) qui se développe depuis 5 plusieurs années nécessite une fracturation des réservoirs pour une production économique du gaz. Les réserves dans ce secteur sont énormes et extrêmement étendues dans des zones autrefois inexploitables comme les couches de charbon, les sables fins ou les schistes. 10 Aux USA ces ressources non conventionnelles ont augmenté de 28% en 1998 à 46% du total de gaz naturel produit aux USA. Les bassins très étendus sont connus sous le nom de Barnett Shale, Ville Fayette Shale, Mowry Shale, Marcellus Shale, ... Les techniques de production ont souvent évolué de puits verticaux vers les puits 15 horizontaux, réduisant le nombre de puits de production. Mais dans tous les cas, les perméabilités sont insuffisantes pour produire naturellement la quantité de gaz rendant les opérations économiques. Il est donc nécessaire d'augmenter la perméabilité et les surfaces de production par des 20 opérations de stimulation et en particulier par fracturation. Fracturation hydraulique La fracturation hydraulique a pour but de créer une perméabilité supplémentaire et créer 25 des surfaces de production de gaz plus importantes. En effet, la faible perméabilité, les barrières naturelles de couches compactes, l'imperméabilisation par les opérations de forage limitent fortement la production. Ces opérations de fracturation ont commencé en 1960 dans les Appalaches et aujourd'hui 30 plus d'un million d'opérations ont eu lieu aux USA. Des technologies d'étude, de design et d'exécution sont devenues de plus en plus sophistiquées et mettent en oeuvre des équipements permettant d'effectuer ces opérations dans un temps de plus en plus court avec une analyse précise des résultats. 35 Des simulateurs spécifiques permettent de prévoir les résultats avec une grande précision. Opération de fracturation Ces opérations consistent à injecter de l'eau à haute pression et à très fort débit de manière à créer des fractures réparties tout au long des puits de production. Lorsque les fractures sont ouvertes, on injecte du sable ou des billes calibrées de manière à empêcher la fermeture de ces fractures et de maintenir les surfaces de production ainsi créées. 10 L'eau d'injection contient habituellement un nombre important d'additifs ayant chacun une fonction définie. En général, la composition injectée comprend : - Des produits anti-gonflement des argiles comme le chlorure de potassium, - Des biocides pour éviter le développement de bactéries en particulier sulfato réductrices pouvant former des masses visqueuses réduisant les surfaces de 15 passage. Le glutaraldehyde est le plus utilisé, - Des réducteurs d'oxygène comme le bisulfite d'ammonium pour éviter la destruction des autres composants par oxydation et la corrosion des tubes d'injection, - Des additifs anticorrosion pour protéger les tubes contre l'oxydation par les 20 quantités résiduelles d'oxygène. C'est le N, n dimethylformamide qui est privilégié, - Des lubrifiants comme les distillats de pétrole, - Des produits gélifiants comme les gommes de guar et l'hydroxyethyl cellulose, - Des chelatants pour le fer comme l'acide citrique, l'EDTA, des phosphonates, 25 - Des produits antitartre comme des phosphates, phosphonates ou éthylène glycol, - Des réducteurs de frottement permettant de réduire la perte de charge en milieu turbulent et augmenter fortement le débit à puissance et diamètre de tuyau identique. 30 Souvent un traitement acide est effectué avant ou en cours d'injection en particulier pour traiter les résidus de cimentation ou pour dissoudre une partie de la roche en place permettant un meilleur accès au champs. Le sable injecté a une taille définie, habituellement entre 40 et 100 mesh. 25 Réducteur de frottement Le phénomène de Drag Reduction (réduction de frottement) en milieu turbulent a été découvert par B.A Toms en 1946 (« Toms effect ») bien que des descriptions antérieures constataient que certains additifs semblaient favoriser les écoulements à grande vitesse. Ces produits sont donc utilisés pour diminuer la perte de charge en ligne. Lorsque le milieu est composé d'hydrocarbures on utilise des polymères solubles dans 10 les huiles et en particulier des polyméthacrylate de methyle ou des polymères hydrocarbonnés. Lorsque le milieu est de l'eau, on utilise des polymères de très haut poids moléculaire comme les polyacrylamides et les polyoxydes d'éthylène. A cause du prix et de la 15 disponibilité, les polyacrylamides sont en général privilégiés. Polyacrylamides Développés spécialement pour les applications de floculation (traitement d'eau, 20 traitement de minerais, papeterie...) les polyacrylamides sont de plus en plus utilisés dans d'autres applications, en particulier la viscosification des solutions aqueuses. Ce développement est particulièrement intéressant dans la Récupération Assistée du Pétrole, la Cosmétique, les Epaississants pour impression textile... 25 Dans la suite de la description et dans les revendications, le terme générique de polyacrylamides englobe les homopolymères d'acrylamide ainsi que l'ensemble des copolymères contenant à la fois de l'acrylamide et d'autres monomères comme : - Des acides comme l'acide acrylique, l'acide de méthacryliques, 1'ATBS (acide 30 acrylamino-méthyl propane sulfonique)... - Des monomères cationiques comme le methacrylate de trimethylamino ethyle, le chlorure de dimethyl diallyl ammonium,... Ces polymères peuvent être modifiés par : 35 - Ramification avec des agents ramifiants en quantités suffisamment faibles pour maintenir la solubilité, - Des monomères hydrophobes donnant des polymères associatifs, 3 - Des monomères ayant à la fois des charges anioniques et cationiques (monomères betaïne), - Des associations de monomères anioniques et cationiques (amphotères)... - Des monomères donnant des polymères peigne. L'Homme de l'art connait bien ces ensembles de produits décrits dans de nombreux brevets. Pour la réduction de frottement les polymères utilisés doivent avoir le poids moléculaire 10 le plus élevé possible tout en ayant une très bonne solubilité. Le polymère de choix est un copolymère acrylamide-acrylate de Na ( 70% 30% molaire) ayant un poids moléculaire voisin de 20 millions. 15 Pour des questions de facilité d'utilisation, on utilise des émulsions inverses (W/O) de ces polymères ayant une concentration de matière active entre 20 et 50%. Ces émulsions sont stables au stockage pendant 6 mois environ et se dissolvent très rapidement (quelques minutes) dans l'eau sous agitation. 20 Elles permettent d'injecter en ligne dans l'eau de fracturation avant la pompe haute pression et de se dissoudre presque entièrement en quelques minutes à la fois immédiatement puis dans le tube d'injection. Les quantités de polymères injectés peuvent se situer entre 250 et 2000 ppm de matière 25 active et le temps de fracturation entre 2 et 15 heures avec plusieurs injections séquencées (2à 20). L'utilisation d'émulsions est aujourd'hui généralisée sur tout le territoire USA-Canada-Mexique et se répand dans d'autres pays en fonction des réserves nouvelles à mettre en 30 exploitation. Polyacrylamides en poudre La pression environnementale est devenue de plus en plus grande à la fois sur l'eau 35 utilisée pour cette opération et sur l'eau produite. La demande constante est de consommer uniquement de l'eau du champ et de traiter les eaux produites, qui sont constituées de 60 à 80% de l'eau injectée.5 L'utilisation de polymères en poudre évite l'injection à la fois d'hydrocarbures et de tensio-actifs à traiter dans l'eau produite. Le problème qui se pose est de dissoudre des quantités très importantes de polymères 5 durant des temps courts, c'est-à-dire 0.5 à 5 tonnes de polymères en 4 à 10 heures avec une mise en service rapide (1oà 30 minutes). En utilisant le matériel standard de dissolution avec une dispersion avec un éjecteur, une pelle de mouillage ou une pulvérisation d'eau autour d'un transport pneumatique, ces 10 solutions mères sont concentrées au maximum à 5gr / litre. En outre, il est impossible d'envisager de faire des dissolutions discontinues pour une opération qui consisterait en des volumes à stocker de plusieurs centaines de m3 avec des délais de mise en service de 3 à 4 heures. 15 Il fallait donc trouver un moyen de dissoudre très rapidement en ligne des quantités très importantes de polymère à très forte concentration tout en réduisant au maximum la taille des équipements qui doivent être mobiles, c'est-à-dire pouvant tenir sur une plateforme de camion. 20 Pour ce faire, le Demandeur a mis au point une installation compacte et mobile, à mise en route rapide et autonome, permettant de dissoudre en un temps très court des quantités importantes de polyacrylamide en poudre à forte concentration, destinée à être utilisée dans des opérations de fracturation sur champs de gaz ou de pétrole, l'installation comprenant successivement : 25 une zone de stockage du polymère, - une trémie verticale de transfert du polymère, - un tube de surverse alimentant - un dispositif de dosage du polymère, - un dispositif de dissolution du polymère du type PSU comprenant : 30 • un cône de mouillage du polymère connecté à un circuit d'arrivée d'eau primaire, • à l'extrémité inférieure du cône : • une chambre de broyage et d'évacuation du polymère dispersé comprenant : 35 - un rotor entraîné par un moteur et muni de couteaux, - un stator fixe constitué de lames espacées régulièrement, • 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, - une cuve de stockage et de dégazage du polymère en solution, - une pompe volumétrique permettant l'injection et le dosage de la solution de polymère obtenue à l'aspiration de la pompe haute pression permettant la fracturation. Une telle installation est suffisamment compacte pour être agencée au sein d'un 10 container, sur une plateforme de camion. Bien entendu, la quantité de polymère à dissoudre variera en fonction de l'aptitude du puits à être fracturé. Les sacs de poudre sont stockés à l'arrière de la plateforme. Il s'agit en pratique de sacs de 25 kg pour de faibles capacités ou de 750 kg pour des capacités 15 plus importantes. Lorsque la poudre est stockée dans des sacs de 750 kg, l'installation est dans ce cas équipée d'un système de levage des sacs et d'une trémie et une vis supplémentaire de transfert, horizontale, précédant la trémie verticale et dans laquelle est déversé le contenu 20 des sacs. Selon l'invention, le dispositif de dosage est un doseur à vis, de débit en pratique de 100 ou 300 kg/h selon le matériel utilisé. 25 Pour permettre l'acheminement du polymère de la trémie dans le doseur, l'installation est équipée d'un tube de surverse, de diamètre de 100 à 200 mm selon le matériel utilisé. Un dispositif de dissolution similaire à celui utilisé dans l'invention a été décrit par le Demandeur dans le document WO 2008/107492 pour des applications en Récupération 30 Assistée du Pétrole (RAP) ou en floculation. Le Demandeur a constaté que moyennant quelques modifications, en combinaison avec les éléments ci-avant cités, cet appareil appelé PSU (Polymer Slicing Unit) pouvait s'adapter à la fracturation. Il est donc envisageable pratiquement, d'utiliser pour des opérations de fracturation, des polyacrylamides en poudre de granulométries diverses. 35 Les caractéristiques des PSU utilisables pour cette invention sont résumées dans le tableau ci-dessous : Caractéristiques de l'unité de broyage PSU 100 PSU 300 Diamètre de coupe en mm (taille du rotor) 100 200 Nombres de couteaux fixes 50 90 Hauteur des couteaux fixes en mm 16.6 16.6 Espacement maximum entre les couteaux 700 microns 700 microns Espacement entre les couteaux fixes/mobiles 100 microns 100 microns Angle de coupe 2° 3° Nombre de couteaux mobiles (i.e.: sur le rotor) 4 6 Vitesse de rotor 5000 3000 t/minute t/minute Puissance du moteur 3 kW 7.5 Kw Caractéristiques de la mise en dispersion Débit maximum d'eau primaire 3 m3/h à 10 m3/h à 25°C 25°C Débit maximum en polyacrylamide anionique 100 kg/h 300 kg/h (anionicité: 30%; poids moléculaire: 19 millions; granulométrie: 0-1000 microns) Débit maximum d'eau secondaire dans la couronne 8 m3/h à 20 m3/h à concentrique entourant le stator (pression: 4 bars) 25°C 25°C Concentration finale à la dispersion supérieure à 10 g/1 10 g/1 Pression finale 1 bar 1,5 bar temps de dissolution pour obtenir la viscosité maximum La durée de stockage de la suspension de polymère dans la cuve est comprise entre 10 et 20 minutes, avantageusement de l'ordre de 15 minutes. L'invention a également pour objet un procédé de fracturation hydraulique de puits de pétrole ou de gaz par injection du mélange eau de fracturation/polyacrylamide en solution, mettant en jeu l'installation ci avant décrite et apportant un effet important de « drag reduction ». L'injection du mélange eau de fracturation/polymère en solution dans la roche est effectuée à une pression comprise entre 50 et 600 bars, avantageusement de l'ordre de 400 bars. 10 L'invention ressortira des exemples de réalisation suivants à l'appui des figures annexées. La figure 1 est une représentation schématique de l'installation de dissolution de l'invention selon le mode de réalisation décrit ci-dessus pour des sacs de 750kg avec un PSU 300. 15 La figure 2 est une représentation schématique de l'installation de dissolution de l'invention selon le mode de réalisation décrit ci-dessus pour des sacs de 25kg avec un PSU 100. Exemple 1 20 On veut faire une opération de fracturation dans les conditions suivantes : - Débit instantané 15 m3/min, (900 m3/h) - Diamètre du tuyau 6 pouces, - Vitesse d'injection 13,7 m/sec, 25 - Nombre d'injections successives 5, - Concentration de polymère 300 ppm, - Durée totale de la fracturation 13 heures. Il faut donc injecter 270 Kg/ heure de polyacrylamide sur une durée totale hors arrêts 30 entre phases d'environ 10 heures soit environ 3 tonnes de poudre. Le matériel doit être le plus compact possible pour tenir sur une plateforme de camion de 12m x 2m30 H= 3m.5 La construction choisie est constituée selon les figures la et lb : - D'un rail (1) avec un palan permettant de décharger des big bags de 750 kg (4 big bags pour une opération) - Une trémie (2) sous le big bag avec une vis horizontale 0 150, pas 150 mm, à une vitesse de 100 tours/ minute, - Une frémie verticale (3) avec une vis 0 200, pas 200 mm, vitesse 80 tours/min permettant de faire monter la poudre alimentée par la vis précédente dans la trémie, - Un tube de surverse en 0 150 (4) alimentant un doseur à vis de débit 300 kg/h, - Un PSU 300 (5) tel que décrit dans le document WO 2008/107492, alimenté sur le point supérieur à un débit de 5m3/h et sur le point inférieur à 10m3/h. De manière à augmenter la vitesse de dissolution, l'espace entre les lamelles de coupe est réduite à 500 microns et la vitesse du rotor est montée à 4500 tours/ min, - La suspension obtenue dans le dispositif de dissolution est envoyée dans une cuve verticale (6) servant au dégazage donnant un temps de séjour de 15 minutes, c'est-à-dire de 4 m3 utile et 5 m3 total équipé d'un niveau haut et d'un niveau bas arrêtant et mettant en route le dispositif de dissolution en fonction de la demande de produit. Ce temps de stockage permet de mettre en service l'installation en moins de 20 minutes, - Une pompe Moineau (7) de débit 15 m3/h équipé d'un variateur de vitesse permettant une variation de ce débit, et pilotée par le service de commande central, qui détermine la quantité utilisée en fonction de la perte de charge constatée. - Cette pompe Moineau est connectée à l'aspiration de la pompe principale d'injection du système de fracturation. On s'aperçoit qu'en faisant varier le débit de la pompe volumétrique injectant la solution de polymère, on obtient le même résultat sur l'amélioration de la pression d'injection 30 qu'avec une émulsion. C'est-à-dire, dans ce cas, avec une pression de champ de 110 bars, on constate que la pression totale d'injection est de 265 bars dans un cas comme dans l'autre. Sans le polymère la pression serait d'environ 420 bars. 35 Exemple 2 Pour des opérations de petites capacités, il est possible d'utiliser un dispositif de dissolution de type PSU 100 permettant un débit de solution à 20 gr/ litre de 5m3/h et un 5 débit de poudre de 100 Kg/h. Pour des opérations se répercutant sur 10 heures, la quantité de polymère à stocker sera de 1000 Kg, amenée en sacs de 25 Kg. L'installation comprendra : 10 - Une trémie mélangeuse (1) à vis centrale verticale de 2m3. Les sacs sont vidés dans un cône à la base de la frémie et le produit est introduit dans la trémie par la vis verticale, - Un tube de surverse (2) de 0 100 alimentant un doseur à vis de débit 100 Kg/h maximum, 15 - Un PSU 100 (3) permettant de mettre en suspension 100 Kg de polymère à l'heure dans un volume d'eau de 5 m3 donnant une concentration de 20gr/ litre. Ce dispositif de dissolution est équipé de lame de découpe espacées de 500 microns, à une vitesse de 4500tours/min. - Une cuve de dégazage de 1.25 m3 utile (4) avec un temps de séjour de 15 minutes 20 permettant une mise en service en un temps très court inférieur à 15 minutes. Cette cuve est équipée de niveau bas et haut permettant, suivant la demande de mise en route ou d'arrêt du dispositif de dissolution, - Une pompe Moineau (5) de débit 5 m3/h avec variateur permettant l'injection de la solution à l'aspiration de la pompe Triplex de fracturation. 25 L'injection se fait par l'intermédiaire d'un tube de 4 pouces avec un débit de 200m3/h et une concentration de 500 ppm. Deux puits sont traités sur un même site : l'un avec une émulsion 70-30 acrylamide/acide 30 acrylique molaire, de poids moléculaire de 18 millions, d'une concentration de 30% d'actif ; l'autre par une poudre de même caractéristiques mais contenant 10% d'humidité. La pression en fond de puits est de 95 bars. On constate qu'avec 500ppm de matière active, les pressions d'injections pour obtenir un débit de 200m2/h sont de 190 bars pour l'émulsion et de 185 bars pour la poudre. 10 35 REVENDICATIONS1/ Installation compacte et mobile, à mise en route rapide et autonome, permettant de dissoudre en un temps très court des quantités importantes de polyacrylamide en poudre à forte concentration, destinée à être utilisée dans des opérations de fracturation sur champs de gaz ou de pétrole, l'installation comprenant successivement : - une zone de stockage du polymère, - une trémie verticale de transfert du polymère, - un tube de surverse, - un dispositif de dosage du polymère alimenté par le tube de surverse, - un dispositif de dissolution du polymère de type PSU - une cuve de stockage et de dégazage du polymère en solution, - une pompe volumétrique permettant l'injection et le dosage de la solution de polymère obtenue à l'aspiration de la pompe haute pression permettant la fracturation. 2/ Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce que le dispositif de dosage est un doseur à vis, de débit égal à 100 kg/h. 3/ Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce que le dispositif de dosage est un doseur à vis, de débit égal à 300 kg/h. 4/ Procédé de fracturation hydraulique de puits de pétrole ou de gaz par injection d'un mélange eau de fracturation/polyacrylamide en solution, mettant en oeuvre l'installation de l'une des revendications 1 à 3. 5/ Procédé selon la revendication 4, caractérisé la dissolution du polymère est effectuée à une concentration d'au moins 10 g/1, en moins de 10 minutes pour un débit en polyacrylamide de 100 kg/h. 6/ Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que la dissolution du polymère est effectuée à une concentration d'au moins 10 g/1 en moins de 10 minutes pour un débit en polyacrylamide de 300 kg/h. 35 7/ Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que la durée de stockage du polymère est comprise entre 10 et 20 minutes, avantageusement de l'ordre de 15 minutes,308/ Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'injection du mélange eau de fracturation/polyacrylamide en solution est effectué à une pression comprise entre 50 et 600 bars, avantageusement de l'ordre de 400 bars.