Brevet FR2968744A1 — publié le 20120615

Domaine de l'invention La présente invention concerne le domaine des agents réducteurs de traînée, 5 couramment nommés "DRA" ou "Drag Reducing Agent", mis en oeuvre pour réduire les pertes de charge d'un liquide en écoulement. Plus particulièrement, la présente invention concerne l'amélioration de la production d'hydrocarbures par la mise en oeuvre de tels agents réducteurs de traînée. 10 La production d'hydrocarbures s'accompagne la plupart du temps de production d'eau. Cette production d'eau est généralement importante pour les champs matures, en fin de vie ou dans les cas ou un aquifère actif est proche de puits producteurs. En raison du vieillissement des réservoirs, les compagnies pétrolières 15 produisent de plus en plus d'eau. D'autre part depuis la crise mondiale de l'énergie, il est devenu essentiel de pouvoir récupérer le maximum d'hydrocarbures contenu dans des formations souterraines. La méthode la plus couramment utilisée consiste à injecter via un ou plusieurs puits 20 injecteurs un fluide aqueux (en général de l'eau ou de la saumure). Ce fluide balaye la formation souterraine pour forcer les hydrocarbures à sortir des pores de la roche où il se trouve retenu. Des puits producteurs permettent de récupérer un effluent de production comprenant un mélange d'eau, de sels et d'hydrocarbures. 25 Au cours de la production d'un gisement, il est très fréquent que le rapport eau/huile ("watercut") varie. Lorsque le rapport eau/huile devient important, la densité de l'eau étant généralement supérieure à celle de l'huile, les pertes de charges associées à la remontée des fluides dans les puits producteurs augmentent. Pour compenser celles-ci, et notamment dans le cas de puits non ou insuffisamment éruptifs, il est 30 souvent nécessaire de mettre en place des techniques spécifiques d'activation des puits ("'artificial lift"), ou des puissances de pompe importantes, ce qui peut entrainer des surcoûts considérables. Un objectif recherché est donc de diminuer les pertes de charges dans un puits producteur. 1 Additifs réducteurs de traînée La dissolution en faible quantité de polymère de forte masse moléculaire dans un fluide est connue pour entraîner de fortes baisses de pertes de charges quand ce fluide est mis en écoulement en régime turbulent (P.S. Virk " Drag reduction fundamentals", AIChE Journal, vol2l, N°4, July 1975). Ce phénomène appelé « réduction des forces de traînée » ou encore « drag reduction » est mis à profit dans de nombreux secteurs d'activités : transport, pharmacologie, aéronautique etc. Dans la présente description, les dénominations "agents réducteurs de traînée", "additifs réducteurs de traînée" ou encore "DRA" désignent des polymères qui présentent un effet de réduction de traînée. Ces polymères forment des chaînes longues, flexibles et présentant des ramifications restreintes. Ils présentent une bonne solubilité dans un liquide solvant, aqueux ou organique. En général, la masse moléculaire des «DRA» est élevée, couramment supérieure à 106 g/mol. Les agents réducteurs de traînée sont largement utilisés par l'industrie pétrolière pour améliorer les débits de production d'effluent pétrolier brut. Les «DRA» sont mis en oeuvre pour améliorer l'écoulement de tout type de 20 fluide, par exemple des fluides aqueux ou des fluides organiques. De préférence, la présente invention s'applique à des fluides dans des conditions d'écoulement en régime turbulent, c'est-à-dire que l'écoulement présente un nombre de Reynolds supérieur à 2100 pour une conduite cylindrique ou 25 équivalente. Généralement, les additifs réducteurs de traînée sont ajoutés dans la phase liquide de l'écoulement afin d'en réduire la perte de charge. Les applications concernent aussi bien des milieux aqueux que des milieux organiques. Les mécanismes mis en 30 jeu, à savoir principalement la limitation de l'apparition des tourbillons, sont, en effet, identiques quelle que soit la nature chimique du solvant. Ainsi on connaît l'injection de "DRA" organosoluble dans un effluent pétrolier majoritairement constitué d'huile, et pouvant en outre comporter une fraction de gaz hydrocarboné et éventuellement une phase aqueuse (Mowla et Naderi, Chemical Engineering Science 61 1549-1554, 2 2005). Des "DRA" hydrosolubles peuvent également être utilisés pour améliorer l'écoulement de fluide aqueux dans un puits injecteur mis en oeuvre pour la production assistée d'un gisement pétrolier (couramment désignée par EOR : Enhanced Oil Recovery) (Al-Anazi et al., SPE 100844, 2006; Nelson, Offshore engineer 47-49, 2004). Réduction des pertes de charges en récupération assistée du pétrole Les opérations de récupération assistée de pétrole peuvent aboutir à l'écoulement 10 turbulent simultané d'une phase aqueuse et d'une phase organique immiscibles au sein de la même installation. De manière surprenante, l'injection dans un puits producteur d'au moins deux "DRA", l'un hydrosoluble, l'autre organosoluble, dans le cas d'un écoulement diphasique 15 turbulent, permet une réduction accrue de la perte de charge. II semblerait que l'injection d'un mélange de 2 « DRA », l'un hydrosoluble, l'autre organosoluble ait un effet synergique sur la réduction de perte de charge dans un écoulement diphasique, situation que l'on rencontre généralement dans le cadre de la production pétrolière. 20 Description de l'invention Obiets de l'invention L'invention concerne une méthode d'optimisation de l'écoulement d'un effluent dans 25 une conduite, l'effluent comportant au moins deux phases liquides : une phase aqueuse et une phase organique, dans lesquelles on injecte un agent réducteur de traînée hydrosoluble et un agent réducteur de traînée organosoluble. L'invention concerne également l'application de cette méthode à la production 30 d'hydrocarbures, plus particulièrement à la récupération assistée d'hydrocarbures dans un puits. Résumé de l'invention L'invention concerne une méthode d'optimisation de l'écoulement d'un effluent dans une conduite, l'effluent comportant au moins deux phases liquides : une phase aqueuse et une phase organique, dans lesquelles on injecte au moins un agent réducteur de traînée hydrosoluble et un agent réducteur de traînée organosoluble. De préférence, l'agent réducteur de traînée hydrosoluble comprend au moins un polymère hydrosoluble flexible dont la masse moléculaire dépasse 106g/mol, et de manière plus préférée l'agent réducteur de traînée hydrosoluble comprend au moins un polymère choisi parmi le polyoxyde d'éthylène (POE), polyacrylamide partiellement hydrolysé (HPAM), les polymères naturels : xanthane, guar. L'agent réducteur de traînée hydrosoluble peut être choisi parmi les « DRA » commerciaux de type LPH2O et FIoADR. De préférence, l'agent réducteur de traînée organosoluble comprend au moins un polymère organosoluble flexible dont la masse moléculaire dépasse 106g/mol, et de manière plus préférée, l'agent réducteur de traînée organosoluble comprend au moins un polymère choisi parmi le polyisobutène (PIB), les polyoléfines, le polyéthylène (PE), le polyproprylène (PP). L'agent réducteur de traînée organosoluble peut être choisi parmi les « DRA » 25 commerciaux de type FIoXL7R, LP400. La concentration en agent réducteur de traînée hydrosoluble est généralement comprise entre 5 et 200 ppm, et la concentration en agent réducteur de traînée organosoluble est généralement comprise entre 10 et 200 ppm. De manière plus préférée, la concentration en agent réducteur de traînée hydrosoluble est comprise entre 25 et 100ppm, et la concentration en agent réducteur de traînée organosoluble est comprise entre 50 et 100ppm. 4 30 Dans un mode de réalisation, l'effluent est un effluent pétrolier comprenant de l'huile et une phase aqueuse. De préférence, on utilise la méthode pour la récupération assistée d'hydrocarbures contenus dans un réservoir géologique, et on effectue l'injection de l'agent réducteur de traînée hydrosoluble et de l'agent réducteur de traînée organosoluble en fond de puits de production, dans le voisinage d'une zone de drainage de l'effluent. Description détaillée de l'invention L'ajout combiné d'additifs réducteurs de traînée dans les deux phases immiscibles facilite l'écoulement de l'ensemble des fluides. Les actions des deux additifs se combinent et un effet de synergie est observé. Les exemples suivants attestent de cette performance et montrent qu'elle est plus marquée quand la proportion des deux phases immiscibles se rapproche du rapport volumique 50/50. En revanche, l'emploi d'un seul «DRA» voit son efficacité réduite si la seconde phase ne contient pas de «DRA». Liste des figures : Les figures 1 à 3 illustrent l'invention à titre non limitatif. Figure 1 : Rhéomètre de type Couette utilisé pour la caractérisation de l'efficacité de réduction de la traînée Figure 2 : la figure 2 se rapporte à l'exemple 1 et montre l'effet combiné d'un "DRA" commercial hydrosoluble (concentration de 50 ppm par rapport à la phase aqueuse) et d'un "DRA" commercial organique (concentration de 100 ppm par rapport à la phase organique) sur la réduction de perte de charge d'un écoulement biphasique en proportion 50/50. Figure 3 : la figure 3 montre l'influence de la concentration en "DRA" hydrosoluble et de la concentration en "DRA" organique dans chacune des phases de l'écoulement diphasique en proportion 50/50 sur la réduction de perte de charge. Dispositif utilisé Les essais ont été réalisés à l'aide d'un rhéomètre à contrainte imposée, instrumenté d'une géométrie Couette, afin de déterminer l'énergie dissipée lors d'un écoulement. Le rhéomètre peut être de type Couette tel que représenté sur la figure 1. Un tel rhéomètre est composé d'un récipient cylindrique 5 de rayon R2 contenant un cylindre 6 de rayon RI et de hauteur H. Le cylindre 6 est mobile en rotation. L'échantillon est disposé dans l'espace annulaire 7 situé entre le récipient 5 et le cylindre 6, plus précisément entre la paroi interne du cylindre fixe et la paroi externe du cylindre en rotation. Le cylindre 6 est mis en rotation à une vitesse angulaire déterminée S2, de préférence à une vitesse constante, et on mesure le couple résistant C à la mise en rotation du cylindre. Détermination de l'efficacité de la réduction de la perte de charge Les essais sont effectués sur des échantillons contenant les additifs réducteurs de traînée ("DRA") que l'on souhaite caractériser, les additifs étant dissous dans le liquide duquel on souhaite réduire les pertes de charge. On prépare plusieurs échantillons à partir du même liquide contenant le même additif réducteur de traînée. La concentration en additif diffère d'un échantillon à un autre, ainsi que la proportion entre la phase organique et la phase aqueuse dans le liquide. Pour chacun des échantillons, on effectue le test suivant. On met l'échantillon en écoulement dans des conditions connues et contrôlées. Au cours de l'écoulement, on effectue des mesures pour déterminer l'énergie dissipée lors de l'écoulement. L'efficacité d'un additif réducteur de traînée correspond à la réduction des frottements dans l'écoulement grâce à la présence des «DRA». On peut définir l'efficacité d'un «DRA» (%DR) en fonction de la réduction de 30 la perte de charge mesurée. %DR = AP° - APDRA APo avec APo la perte de charge obtenue pour un test avec un échantillon sans «DRA» pour un débit donné, 6 APDRA la perte de charge obtenue pour un test avec un échantillon contenant une quantité déterminée de «DRA», le test étant réalisé dans les mêmes conditions, notamment de débit. Dans le cas d'une mesure en rhéomètre, l'efficacité %DR peut s'écrire en fonction des couples mesurés sur l'axe du mobile en rotation pour un échantillon sans additif ( Co) et avec additif (CDRA). %DR = C° - CDRA x 100 Co csr avec C0: Couple mesuré sur fluide non traité (sans additif), CDRA : Couple mesuré sur fluide comprenant un additif réducteur de traînée "DRA", S2: Vitesse angulaire fixe. Types d'additifs réducteurs de traînée (DRA) pouvant être utilisés Les «DRA» hydrosolubles pouvant être mis en oeuvre dans l'invention sont choisis parmi tous les polymères hydrosolubles flexibles dont la masse moléculaire dépasse 106g/mol, par exemple polyoxyde d'éthylène (POE), polyacrylamide partiellement hydrolysé (HPAM), polymères naturels : xanthane, guar ,et notamment les «DRA» commerciaux de type LPH2O, FIoADR. Les «DRA» organosolubles pouvant être mis en oeuvre dans l'invention sont choisis parmi tous les polymères organosolubles flexibles dont la masse moléculaire dépasse 106g/mol, par exemple polyisobutène (PIB), polyoléfines, polyéthylène (PE), polypropylène (PP), et notamment les «DRA» commerciaux de type FIoXL7R, LP400 etc. Gammes de concentrations La concentration en additif réducteur de traînée dans chaque phase peut être choisie 5 parmi une large gamme de concentrations, de préférence de 5 à 200 ppm afin de ne pas modifier la viscosité du solvant. Plus particulièrement, la concentration en agent réducteur de traînée hydrosoluble est généralement comprise entre 5 et 200 ppm, et la concentration en agent 10 réducteur de traînée organosoluble est généralement comprise entre 10 et 200 ppm. En raison de l'effet synergique entre les deux additifs, une faible concentration dans chaque phase peut être suffisante pour obtenir une réduction de traînée suffisante, par exemple une concentration comprise entre 25 et 100ppm pour la phase aqueuse 15 et comprise entre 50 et 100ppm pour la phase organique. Exemples Exemple 1 : Essais comparatifs «DRA» commerciaux 20 Les premiers essais concernent des solutions additivées de «DRA» commerciaux (FIoXL7R pour le «DRA» organosoluble et FIoADR4400 pour le «DRA» hydrosoluble) contenant respectivement 50ppm de «DRA» hydrosoluble pour la phase aqueuse et 100ppm de «DRA» organosoluble pour la phase organique. Les phases aqueuse et organique sont à chaque fois successivement introduites dans 25 les proportions voulues et mises en écoulement par un balayage linéaire en vitesse angulaire de 2 à 300 rad/s en 3 minutes à 20°C. La phase organique est un kérosène, la phase aqueuse une eau salée à 7.5g/l de NaCl. A titre comparatif, la réduction de traînée est également évaluée pour les configurations suivantes : 30 - présence du seul additif réducteur de traînée hydrosoluble (FIoADR4400) dans la phase aqueuse à une concentration de 50 ppm ("1 «DRA» aqueux") - présence du seul additif réducteur de traînée organosoluble (FIoXL7R) dans la phase organique à une concentration de 100 ppm ("1 «DRA» organique"). 8 L'efficacité sur la réduction de traînée est évaluée à l'aide d'un rhéomètre à contrainte imposée, instrumenté d'une géométrie Couette telle que décrite sur la figure 1, afin de déterminer l'énergie dissipée lors d'un écoulement. Dans les tests rhéologiques effectués, la proportion volumique des deux phases immiscibles (phase organique / phase aqueuse) varie de 25/75 à 75/25 afin de couvrir une large gamme de "water cut" fréquemment rencontrées en production pétrolière. A titre d'exemple, les courbes obtenues dans la proportion 50/50 sont présentées à la Figure 2. Les efficacités obtenues pour l'ensemble des configurations testées sont rassemblées dans le Tableau 1. Proportion phase organique 1 «DRA» 1 «DRA » Mélange de 2 (kérosène) / phase aqueuse hydrosoluble organique «DRA» (selon (eau salée) (comparatif) (comparatif) l'invention) 25/75 7 0 6.4 40/60 1.8 0.5 11 50/50 0 3.3 20.3 60/40 0 1.3 11.5 75/25 0 8 11 15 Tableau 1 : Effet combiné de 50ppm «DRA» hydrosoluble commercial et 100ppm de «DRA» organique commercial en écoulement diphasique dans différentes proportions volumiques. Les résultats montrent que, dans le cadre d'un écoulement diphasique, la configuration avec ajout combiné de deux additifs réducteurs de traînée (un additif 20 par phase) réduit plus efficacement le couple requis en régime turbulent que l'ajout d'un seul additif dans une des phases et ceci d'autant plus que l'on se rapproche de la proportion 50/50.10 Exemple 2 : effet de la concentration d'utilisation pour des «DRA» commerciaux Les essais combinés avec deux additifs dans des phases en proportion 50/50 ont été repris avec différentes concentrations en additifs :25 et 50 ppm pour le «DRA» hydrosoluble, et 50, 100 et 150 ppm pour le «DRA» organique (cf. Figure 3). Ils confirment que de faibles concentrations sont suffisantes et offrent une plage d'utilisation assez grande. Exemple 3 : effet du régime d'écoulement pour des «DRA» commerciaux Le phénomène de réduction de traînée est connu pour s'intensifier avec la turbulence. II a été observé que cette constatation restait vérifiée dans le cas d'un écoulement diphasique. Le pourcentage de réduction de traînée (%DR) a ainsi été calculé dans la proportion 50/50 pour différentes vitesses angulaires correspondant à différents régimes caractérisés par leur nombre de Reynolds. Leurs valeurs sont indiquées dans le Tableau 2. Vitesse angulaire (radis) Re %DR 75 560 10 150 1120 15 210 1569 17 300 2241 20 Tableau 2: Augmentation de l'effet «DRA» avec l'augmentation de la turbulence. Exemple 4 : Essais comparatifs avec des solutions de polymères modèles Les essais suivants concernent des solutions de polymères modèles dont les fortes masses moléculaires leur confèrent des propriétés de réduction de traînée. La phase aqueuse contient 50ppm de POE (Poly-Oxyde d'éthylène) (masse moléculaire 4.106 g/mol) et la phase organique contient 100ppm de PIB (Poly Iso Butène) (masse moléculaire 3.106 g/mol) pour la phase organique. Leur proportion volumique est fixée à 50/50. A titre comparatif, la réduction de traînée est également évaluée pour les configurations suivantes : - présence du seul additif réducteur de traînée hydrosoluble (POE) dans la phase aqueuse à une concentration de 50 ppm ("1 «DRA» aqueux") - présence du seul additif réducteur de traînée organosoluble (PIB) dans la phase organique à une concentration de 100 ppm ("1 «DRA» organique"). Les efficacités obtenues pour les trois configurations testées sont rassemblées dans le Tableau 3. Elles confirment l'effet de synergie dans le cas d'une utilisation combinée de deux « DRA ». Configuration %DR un seul «DRA» dans la phase aqueuse 7 (comparatif) un seul «DRA» dans la phase organique 3 (comparatif) utilisation de 2 DRA 14 Tableau 3: Synergie de l'emploi de deux «DRA» (hydrosoluble et organosoluble), essais avec 10 des polymères modèles. Exemple 5 : Effet de la concentration d'utilisation pour les solutions de polymères modèles 15 Une série d'essais en écoulement diphasique avec une proportion phase aqueuse/phase organique de 50/50 a été réalisée avec différentes concentrations. Les «DRA» injectés sont les solutions modèles de POE (4.106 g/mol) et de PIB (3.106 g/mol). Les résultats ont montré que l'efficacité sur la réduction de traînée de l'usage combiné d'un «DRA» organique et d'un «DRA» hydrosoluble pouvait être 20 accentuée dans une gamme de concentration donnée (Tableau 4). « DRA » hydrosoluble « DRA » organique %DR 6.125 25 9 25 50 11 50 100 14 Tableau 4: Renfort avec la concentration de l'effet de synergie de l'emploi de deux « DRA ». Application de la méthode selon l'invention La méthode selon l'invention peut être utilisée pour améliorer tout écoulement d'un effluent contenant deux phases liquides immiscible dans une conduite, en réduisant la perte de charge. L'invention s'applique avantageusement à tout régime de turbulence. De préférence, la présente invention s'applique à des fluides dans des conditions d'écoulement en régime turbulent, c'est-à-dire que l'écoulement présente un nombre de Reynolds supérieur à 2100 pour des conduites cylindriques ou équivalentes. La présente invention peut être mise en oeuvre dans le cadre de l'injection de "DRA" dans un effluent pétrolier constitué d'huile, d'une phase aqueuse et pouvant en outre comporter une fraction de gaz hydrocarboné. L'invention s'applique avantageusement à l'utilisation des "DRA" pour améliorer l'écoulement de fluide mis en oeuvre pour la production assistée d'un gisement pétrolier (couramment nommé Enhanced Oil Recovery ou récupération assistée d'hydrocarbures). Dans ce cas, on injecte le mélange des deux additifs réducteurs de traînée en fond de puits de production, dans le voisinage de la zone de drainage de l'effluent essentiellement liquide. REVENDICATIONS1. Méthode d'optimisation de l'écoulement d'un effluent dans une conduite, l'effluent comportant au moins deux phases liquides : une phase aqueuse et une phase organique, dans lesquelles on injecte au moins un agent réducteur de traînée hydrosoluble et un agent réducteur de traînée organosoluble. 2. Méthode selon la revendication 1 dans laquelle l'agent réducteur de traînée hydrosoluble comprend au moins un polymère hydrosoluble flexible dont la masse moléculaire dépasse 106g/mol, 3. Méthode selon la revendication 2 dans laquelle l'agent réducteur de traînée hydrosoluble comprend au moins un polymère choisi parmi le polyoxyde d'éthylène (POE), polyacrylamide partiellement hydrolysé (HPAM), les polymères naturels : xanthane, guar. 4. Méthode selon l'une des revendications 1 ou 2 dans laquelle l'agent réducteur de 15 traînée est choisi parmi les « DRA » commerciaux de type LPH2O et FIoADR. 5. Méthode selon l'une des revendications précédentes dans laquelle l'agent réducteur de traînée organosoluble comprend au moins un polymère organosoluble flexible dont la masse moléculaire dépasse 106g/mol. 6. Méthode selon la revendication 5 dans laquelle l'agent réducteur de traînée 20 organosoluble comprend au moins un polymère choisi parmi le polyisobutène (PIB), les polyoléfines, le polyéthylène (PE), le polyproprylène (PP). 7. Méthode selon la revendication 5 dans laquelle l'agent réducteur de traînée est choisi parmi les « DRA » commerciaux de type FIoXL7R, LP400. 8. Méthode selon l'une des revendications précédentes dans laquelle la 25 concentration en agent réducteur de traînée hydrosoluble est comprise entre 5 et 200 ppm, et la concentration en agent réducteur de traînée organosoluble est comprise entre 10 et 200 ppm. 9. Méthode selon la revendication 8 dans laquelle la concentration en agent réducteur de traînée hydrosoluble est comprise entre 25 et 100ppm, et laconcentration en agent réducteur de traînée organosoluble est comprise entre 50 et 100ppm. 10. Méthode selon l'une des revendications précédentes dans laquelle l'effluent est un effluent pétrolier comprenant de l'huile et une phase aqueuse. 11. Méthode selon la revendication 10 pour la récupération assistée d'hydrocarbures contenus dans un réservoir géologique, dans laquelle on injecte lesdits agents réducteurs de traînée organosoluble et hydrosoluble en fond de puits de production, dans le voisinage d'une zone de drainage dudit effluent.