Brevet FR2976670A1 — publié le 20121221

La présente invention concerne le domaine du transport par conduites d'hydrocarbures pour l'exploitation de gisements pétroliers. Dans le cas de pétroles bruts de type paraffinique, les exploitants doivent faire face au risque d'un arrêt de circulation dans la conduite qui peut conduire, notamment en fonction du temps d'arrêt et de conditions de température défavorables, à une certaine "solidification", ou gélification du brut dans la conduite. Dans ce cas, il est clair que les conditions de redémarrage de la circulation peuvent conduire à des pressions extrêmement délicates à gérer avec les installations locales. Pour éviter, ou limiter, ce risque de difficulté de redémarrage, on peut être amené à vider les conduites des hydrocarbures paraffiniques pour les remplacer par des fluides simples. Cette opération conduit à des pertes de temps de production considérables. On peut aussi être conduit à dimensionner les conduites, ou à prévoir des isolations et/ou chauffage thermique des conduites pour augmenter le temps disponible pour un arrêt de circulation. Les estimations actuelles des pressions de redémarrage peuvent conduire à investir inutilement dans des installations de vidange, de conduites de pompage, d'isolation thermique, de chauffage, et/ou à pratiquer des vidanges inutiles (si on peut la pratiquer). Il faut noter que dans le cas général, il est rare de pouvoir vidanger une conduite de production. Cela est possible pour un arrêt prévu et si on a les moyens adéquats, mais cela est plus rarement possible dans les cas imprévisibles. On connaît la méthode décrite dans le document US-7437247 dont l'objectif est de prévoir les conditions du redémarrage des écoulements de bruts paraffiniques dans les conduites. Cependant, la description de l'état du gel est imparfaite ce qui conduit à des prévisions de pression de redémarrage imprécises. L'objet de la présente invention réside principalement dans l'amélioration des méthodes de description de la structure de l'hydrocarbure gélifié à l'état initial du redémarrage, afin de prendre en compte des données plus précises dans l'évaluation des conditions de redémarrage. Cette méthode combine à la fois des étapes expérimentales et étapes de calculs numériques et comporte désormais 5 étapes. Ainsi, la présente invention concerne une méthode d'estimation des conditions de redémarrage à l'écoulement d'un hydrocarbure paraffinique dans une conduite, dans laquelle on effectue les étapes suivantes: a) on choisit un modèle rhéologique adapté à la nature d'un l'hydrocarbure paraffinique et on détermine expérimentalement les paramètres rhéologiques dudit modèle, b) on détermine les champs de températures au sein de l'écoulement stationnaire de l'hydrocarbure, avant arrêt, c) on évalue les échanges thermiques conductifs en phase d'arrêt de circulation, à partir des températures en écoulement stationnaire et du temps d'arrêt pris en compte, d) on détermine un paramètre de structure du gel dudit hydrocarbure au redémarrage, par des mesures expérimentales en 'prenant en compte les conditions thermique et mécanique de l'hydrocarbure lors de l'arrêt de l'écoulement, e) on simule numériquement la phase de redémarrage en prenant en compte l'état initial du brut gélifié dans la conduite déterminé à l'étape d), f) on évalue la valeur de la pression qui remet en circulation l'hydrocarbure paraffinique dans la conduite. Selon la méthode, on peut choisir le modèle rhéologique de "Houska" comprenant un paramètre de structure. Le paramètre de structure peut être une fonction de mesures expérimentales du module élastique G' à l'aide d'un rhéomètre. Le paramètre de structure pour un refroidissement donné peut être défini comme le rapport du module élastique G' mesuré audit refroidissement sur le module élastique mesuré en refroidissement statique à la température la plus basse TMIN. La détermination des champs de température peut se faire par calculs bidimensionnels. On peut simuler la phase de redémarrage à partir de l'état initial du brut gélifié dans la conduite, à l'aide d'un modèle qui prend en compte les variations axiale et radiale de la composante axiale de vitesse de l'écoulement. Dans l'étude du redémarrage des écoulements de bruts paraffiniques, les principales questions peuvent être : - Quelle est la pression minimale de redémarrage ? - Quels sont les temps nécessaires pour vidanger la conduite et pour retrouver des conditions stationnaires d'écoulement ? La principale difficulté concerne le comportement complexe des bruts paraffiniques ayant des propriétés rhéologiques non-newtoniennes, thermo dépendantes, thixotropes et de compressibilité. Grâce aux connaissances et à l'expérience accumulées par la demanderesse au cours des dernières années, certains points particuliers peuvent être soulignés : - D'un point de vue expérimental, il est important d'avoir la capacité de caractériser le brut d'un point de vue rhéologique dans des conditions proches de celles rencontrées sur le champ. Pour cela, il faut étudier notamment l'historique thermique, l'historique mécanique, les temps d'arrêt, afin de fournir des paramètres du modèle rhéologique considéré représentatifs du cas étudié. - L'importance de l'état initial du brut dans la conduite au moment du redémarrage. Ainsi, il est nécessaire de décrire précisément la phase d'arrêt pour garantir une étude correcte de la phase de redémarrage, c'est l'objet de la quatrième étape d). - D'un point de vue numérique, il faut vaincre les difficultés mathématiques en relation avec la prise en compte d'un fluide à seuil, thixotrope, thermo dépendant dans la simulation d'un écoulement compressible avec interface fluide/fluide. Il est également important d'avoir une description 2D (radiale et axiale) tout en conservant l'efficacité d'exécution d'un modèle 1D. La présente méthode est décrite en 5 étapes qui sont détaillées ci-dessous : ETAPE 1 : Choix du modèle rhéologique décrivant le brut et détermination de ses paramètres rhéologiques : Une fois le type de modèle rhéologique choisi, on détermine expérimentalement les paramètres rhéologiques de l'hydrocarbure en question. En particulier, il a été développé une technique de mesures fiable et précise pour la détermination des paramètres du modèle rhéologique de Houska, défini par : z = (zy0 +2v y1)IIDII + 2(k + ~iAk)rD 4 (1) Dit =a(1-2)-b2ÿm (2) avec : i = tenseur des contraintes D = tenseur des taux de déformation = taux de cisaillement généralisé 11.11 = norme tensorielle D/Dt = dérivée lagrangienne et les paramètres de Houska sont : tyo = contrainte seuil permanente iyl = contrainte seuil thixotrope k = viscosité permanente Ak = viscosité thixotrope n = indice de rhéofluidification a = paramètre de reprise du gel b = paramètre de déstructuration du gel m =paramètre d'ajustement de la vitesse de déstructuration X, représente le paramètre de structure et peut varier entre 0 et 1. Si X=1, le brut paraffinique est un gel alors que X=0 représente un état de gel complètement déstructuré. On considère que le modèle de Houska, qui correspond à un modèle de fluide à seuil généralisé (équation (1)) couplé avec une équation d'un paramètre de structure (équation (2)) pour décrire la thixotropie, est le plus approprié pour la description du comportement des bruts paraffiniques. On utilisera donc de préférence ce modèle. La plage de température rencontrée dans la conduite doit être déterminée et est définie par les températures comprises entre la température la plus basse TMin et la température de cristallisation commençante (Tcc). Les paramètres du modèle sont déterminés pour les températures suivantes : - les paramètres thixotropiques (iyl et Ak) sont mesurés à TMm après un refroidissement statique (fluide au repos). Dt - les paramètres permanents (tyo, k et n) et cinétiques (a, b et m) sont mesurés pour plusieurs températures comprises entre TMin et Tcc. Des corrélations sont établies à partir de ces mesures afin d'obtenir des lois en température pour les paramètres (Tyo, k, n, a, b et m). ETAPE 2 : Description de l'écoulement stationnaire : L'objectif de cette étape est de déterminer le champ de température 2D axisymétrique Tstop(r,z) dans toute la conduite au temps tstop lorsque l'écoulement s'arrête. r et z sont respectivement les directions radiale et axiale dans la conduite. La description de cet état stationnaire s'obtient en réalisant une simulation d'un écoulement dans une conduite 2D axisymétrique d'un fluide viscoplastique dont les propriétés rhéologiques (viscosité, contrainte seuil et indice de rhéofluidification) dépendent de la température. Les corrélations en température sur les paramètres permanents déterminés à l'étape 1 sont utilisés pour ce calcul. Les conditions aux limites en température à la paroi externe de la conduite sont celles du champ. Le document ci-après cité en référence, donne les éléments de ce type de calcul : "Numerical simulation of nonisothermal viscoplastic waxy crude oil flows", G. Vinay, A. Wachs and J-F. Agassant, Journal of Non-Newtonian Fluid Mechanics (128), pp. 144-162, 2005. ETAPE 3 : Calculs thermiques pendant la phase d'arrêt L'objectif de cette étape est de déterminer le champ de température TRestart(r,z) après le processus de refroidissement à l'instant du redémarrage (tRestart). On réalise des calculs thermiques 2D axisymétrique sans écoulement afin d'obtenir l'évolution de la température en tout point de la conduite pendant la phase d'arrêt. Seuls les échanges thermiques conductifs sont considérés, la convection naturelle, généralement faible dans ce cas de brut visqueux, n'est pas prise en compte. De même, les conditions aux limites en température à la paroi externe de la conduite sont celles du champ. ETAPE 4 : Description de l'état initial au redémarrage L'objectif de cette étape est de déterminer l'état de structure de l'hydrocarbure gélifié obtenu à la suite du processus de refroidissement et de l'arrêt de l'écoulement dans la conduite. Les bruts paraffiniques gélifiés ont une structure complexe et non homogène qui dépend des conditions thermiques (déterminées aux étapes 2 et 3) et mécaniques dans lesquelles l'hydrocarbure a été transporté, refroidi et arrêté. Par conditions mécaniques, on entend prendre en compte l'influence du cisaillement présent dans l'écoulement lors du refroidissement, sur la structure du gel Ainsi, la caractérisation du gel à l'état initial du redémarrage est réalisée à l'aide du paramètre de structure X(r,z) dans lequel l'historique thermique et mécanique est pris en compte. On définit l'état de gel le plus dur lorsque que ce gel a été formé après un refroidissement au repos jusqu'à la température la plus basse dans la conduite, soit TMin- Dans ces conditions, le paramètre de structure est défini par 1=1. A partir de cette hypothèse les valeurs de 1 sont comprises entre deux valeurs extrêmes suivant les deux scénarios ci-dessous : - Refroidissement sous écoulement (ou dynamique) correspondant à une structure de gel faible (faible valeur de contrainte seuil) et donc à de faibles valeurs de 1. - Refroidissement au repos (ou statique) correspondant à une structure de gel forte (grande valeur de contrainte seuil) et donc à de grandes valeurs de 1 (proches de 1). Cette représentation du paramètre de structure 1 permet de prendre en compte l'influence de la température finale et le type de refroidissement. Elle est illustrée sur la figure 1. Les valeurs de 1 se situent entre les 2 courbes extrêmes; la courbe basse (1) correspondant à un refroidissement entièrement dynamique pour lequel la structure du gel est faible et la courbe haute (2) correspondant à un refroidissement entièrement statique pour lequel la structure du gel est forte. A l'instant initial du processus de redémarrage (après la procédure d'arrêt), la structure de l'hydrocarbure gélifié est hétérogène puisque la température et le type de refroidissement varient tout au long de la conduite. L'illustration de ce propos est donnée sur la figure 2 dans le cas d'une conduite où la température de redémarrage TRestart est constante et égale à la température extérieure (TEXt)- A l'entrée de la conduite, le brut subit un refroidissement statique (noté Rs sur la figure 2), alors qu'en aval de la conduite le brut subit un refroidissement dynamique (noté Rd sur la figure 2). Ainsi, en utilisant la représentation du paramètre de structure donnée ci-dessus, 2 varie le long de la conduite et il est possible de déterminer sa valeur en tout point de la conduite à l'instant initial du redémarrage. Un exemple est donné sur la figure 3 pour déterminer la valeur de a, en un point de la conduite, représenté par le point P de la figure 2. A cet endroit de la conduite, puisque l'hydrocarbure a subi un refroidissement dynamique de Tiniet à Tstop, X, varie selon la courbe de refroidissement dynamique (courbe (1) de la figure 3). Ensuite, l'écoulement est arrêté et la température diminue jusqu'à atteindre TRestart=TExt- La structure du gel augmente avec la diminution de la température jusqu'à atteindre un état de gel correspondant à une valeur de a, située entre les 2 courbes extrêmes (point I de la figure 3). Finalement, on établit une relation entre le paramètre de structure 2', et le couple de températures (Tstop, TRestart) pour décrire la structure du gel à l'état initial du redémarrage. Ainsi, on propose de déterminer la fonction a,(Tstop, TRestart), à partir de laquelle on est capable de donner une description précise de l'état de structure du gel à l'état initial dans toute la conduite, tout en prenant en compte l'influence de l'historique thermo-mécanique. On rappelle que les températures Tstop et TRestart sont déterminées lors des étapes b) et c). Le protocole expérimental suivant sera de préférence utilisé pour déterminer la fonction ? (Tstop, TRestart). La détermination du paramètre de structure est basée sur la mesure du module élastique G' à l'aide d'essais oscillatoires avec un rhéomètre. Le paramètre de structure ? est défini comme étant le rapport entre le module élastique G' mesuré pour le type de refroidissement courant (statique, dynamique ou mixte) et le module élastique G'statique mesuré après un refroidissement statique jusqu'à la température TM;n : G' statique (3) Le protocole de mesure du module élastique G' avec un rhéomètre rotatif pour 3 types de refroidissement est détaillé ci-dessous : - Refroidissement statique : l'échantillon de brut est refroidi au repos d'une température TMax (TMax > Tcc) jusqu'à TMin. Pendant ce refroidissement, la mesure oscillatoire du module élastique G' est réalisée afin d'obtenir sa variation en fonction de la température. A partir de l'équation (3), on obtient l'évolution du paramètre de structure 1 en fonction de la température après un refroidissement statique (courbe (2) de la figure 4). - Refroidissement mixte: l'échantillon de brut est refroidi de la température TMax à la température Tstop avec un cisaillement y imposé. Ensuite, l'échantillon est refroidi au repos de Tstop à TMin tout en mesurant le module élastique G'. A partir de l'équation (3), on obtient l'évolution du paramètre de structure 1 en fonction de la température (entre Tstop à TMin) après un refroidissement mixte (refroidissement dynamique de TMax à Tstop, puis refroidissement statique de Tstop à TMin). Les courbes (3) et (4) de la figure 4 correspondent à 2 valeurs différentes de température Tstop. - Refroidissement dynamique: l'échantillon est refroidi de la température TMax à TMin avec un cisaillement y imposé. Ensuite, une mesure du module élastique G' est réalisée à TMin afin d'obtenir l'état de structure du gel après un refroidissement dynamique à la température la plus basse, TMin. Les valeurs de 1 à différentes températures Tstop obtenues dans le cadre de refroidissements mixtes correspondent à la structure du gel après un refroidissement dynamique de TMax à Tstop. On se sert de ces valeurs pour construire la courbe de 1 pour un refroidissement dynamique (courbe (1) de la figure 4). Ainsi, la structure de gel la plus dure (1=1) est bien définie pour le scénario le plus sévère, c'est-à-dire après un refroidissement statique à la température la plus basse. Un exemple de mesure du paramètre de structure 1 pour un brut paraffinique est donné sur la figure 4. Pour obtenir la courbe de 1 correspondant au refroidissement statique (courbe (2) de la figure 4), G' est mesuré pendant le refroidissement au repos entre une température supérieure à 'Foe et TMin. Dans le cas d'un scénario de refroidissement mixte, l'échantillon est refroidi sous cisaillement jusqu'à Tstop (refroidissement dynamique) puis au repos jusqu'à TMin. G' est mesuré pour différentes températures d'arrêt Tstop, 30°C et 15°C (courbe (3) et (4) de la figure 4). La courbe de refroidissement dynamique est construite à partir de la valeur du paramètre de structure X déterminée pour TMin et des valeurs de a, obtenues à Tstop (courbe (1) de la figure 4). Pour chaque scénario de refroidissement, on établit une loi d'évolution du paramètre de structure X(r,z) en proposant des corrélations reproduisant les variations de X en fonction de Tstop(r,z) et TRestart(r,z). Finalement, pour l'exemple de la figure 4, la valeur du paramètre de structure X(r,z) à l'état initial du redémarrage est donnée par la fonction suivante: - Si Tstop(r,z) > Tcc (Refroidissement statique) \ mstaegne ( _ TRestart -T Mn TWAT - Sinon O Si TRestart(r,z) = Tstop(r,z) (refroidissement dynamique) 2Dynamique (r,z) = 2DMax x eB(TRUtan-TMin O Si TRestart(r,z) ETAPE 5 : Modèle 1.5D de redémarrage L'objectif de cette étape est de déterminer la pression de redémarrage, le temps nécessaire pour retrouver les conditions stationnaires d'écoulement et décrire la phase transitoire de déstructuration du brut gélifié. Un modèle numérique 1.5D de redémarrage simule la phase de redémarrage à partir de l'état initial du brut gélifié dans la conduite déterminé dans l'étape 4. Dans le modèle 1.5D, on prend en compte les variations axiale et radiale de la composante axiale de vitesse et on néglige la composante radiale de la vitesse. Le modèle 1.5D est finalement un bon compromis entre la précision d'un modèle 2D et la rapidité d'exécution d'un modèle 1D, notamment pour une application aux écoulements de bruts dans les conduites, ou pour des écoulements équivalents. Un type de modèle 1.5D peut, de préférence, être celui décrit dans "A 1.5D numerical model for the start up of weakly compressible flow of a viscoplastic and thixotropic fluid in pipelines", A. Wachs, G. Vinay and I. Frigaard, Journal of Non-Newtonian Fluid Mechanics (159), pp. 81-94, 2009. Le modèle 1.5D simule la vidange de la conduite remplie de brut gélifié par l'injection d'un autre fluide, par exemple un fluide à disposition dont le mode d'écoulement est proche de l'écoulement newtonien (eau, brut chaud, diesel,...). Le modèle 1.5D tient compte de toutes les caractéristiques de la situation problématique : notamment, fluide à seuil, thixotropie, compressibilité, interface fluide/fluide, topographie du terrain, échanges thermiques. La détermination de la pression de redémarrage est réalisée en imposant une rampe de pression en entrée de la conduite, la pression de redémarrage correspondant à la pression pour laquelle le fluide commence à s'écouler. Ainsi, il est clair que le principal avantage de la présente invention concerne la caractérisation de la structure du brut gélifié à l'état initial. En effet, la détermination précise de l'état initial est primordiale pour obtenir une estimation la plus rigoureuse possible des conditions de redémarrage d'un brut paraffinique. Le protocole expérimental basé sur des essais oscillatoires obtenus avec un rhéomètre permet de déterminer le paramètre de structure a, en prenant en compte l'historique thermique et mécanique de la formation du gel. REVENDICATIONS1) Méthode d'estimation des conditions de redémarrage à l'écoulement d'un hydrocarbure paraffinique dans une conduite, dans laquelle on effectue les étapes suivantes: a) on choisit un modèle rhéologique adapté à la nature d'un l'hydrocarbure paraffinique et on détermine expérimentalement les paramètres rhéologiques dudit modèle, b) on détermine les champs de températures au sein de l'écoulement stationnaire de l'hydrocarbure, avant arrêt, c) on évalue les échanges thermiques conductifs en phase d'arrêt de circulation, à partir des températures en écoulement stationnaire et du temps d'arrêt pris en compte, d) on détermine un paramètre de structure du gel dudit hydrocarbure au redémarrage, par des mesures expérimentales en prenant en compte les conditions thermique et mécanique de l'hydrocarbure lors de l'arrêt de l'écoulement, e) on simule numériquement la phase de redémarrage en prenant en compte l'état initial du brut gélifié dans la conduite déterminé à l'étape d), f) on évalue la valeur de la pression qui remet en circulation l'hydrocarbure paraffinique dans la conduite. 2) Méthode selon la revendication 1, dans laquelle on choisit le modèle rhéologique 20 de "Houska" comprenant un paramètre de structure. 3) Méthode selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle ledit paramètre de structure est une fonction de mesures expérimentales du module élastique G' à l'aide d'un rhéomètre. 4) Méthode selon la revendication 3, dans laquelle le paramètre de structure pour un 25 refroidissement donné est défini comme le rapport du module élastique G' mesuré audit refroidissement sur le module élastique mesuré en refroidissement statique à la température la plus basse TMIN. 5) Méthode selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle la détermination des champs de température se fait par calculs bidimensionnels. 30 6) Méthode selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle on simule la phase de redémarrage à partir de l'état initial du brut gélifié dans la conduite, à l'aide d'un modèle qui prend en compte les variations axiale et radiale de la composante axiale de vitesse de l'écoulement.