Brevet FR2973828A1 — publié le 20121012

ENSEMBLE DE MATERIEL DE MESURE ET REGULATION DE VISCOSITE EN LIGNE A HAUTE PRESSION L'invention a pour objet un ensemble de matériel de mesure et régulation de viscosité en ligne à haute pression. DOMAINE DE L'INVENTION Plusieurs méthodes de production pétrolière pouvant être mises en oeuvre selon les cas. I1 s'agit principalement de : - la production primaire relative à la production spontanée de pétrole par la pression interne du réservoir ; - la production secondaire où la pression interne du réservoir est maintenue par injection d'eau ; et - la production tertiaire constituée de diverses méthodes de récupération assistée. La méthode appropriée est sélectionnée en fonction des investissements nécessaires (capex) et des coûts opérationnels (opex) qui sont eux-mêmes liés au type d'huile, au type de réservoir et à viscosité de l'huile. Les nombreuses méthodes de récupération assistée de pétrole mises en oeuvre dans un puits de pétrole présentent chacune leurs avantages. Parmi ces méthodes, on peut notamment citer : - la réinjection du gaz produit ; - l'injection de dioxyde de carbone qui a aussi pour but de fixer celui-ci pour éviter l'effet de serre ; - l'injection de solvants divers ; - le chauffage à la vapeur pour les huiles lourdes ; - l'injection de bases pour les huiles acides ; - l'injection de tensio-actifs ; - des combustions in situ en injectant de l'oxygène ; - des méthodes biologiques avec formation de bio surfactants ; - des méthodes de diffusion par champs électrique... L'une des méthodes parmi les plus simples et les plus efficaces consiste à injecter une solution aqueuse visqueuse. La solution est rendue visqueuse par dissolution de polymères hydrosolubles, et en particulier de polyacrylamides, de gommes xanthane, et de manière plus anecdotique, des gomme guar ou d'éthers de cellulose. Les polyacrylamides consituent les additifs préférés car ils présentent une très forte résistance à la biodégradation alors que les gommes xanthane nécessitent l'utilisation de fortes doses de bactéricides toxiques, et en particulier de formaldéhyde. De manière générale, la méthode de production assistée de pétrole par injection de 10 polymère consiste principalement à : - dissoudre le polyacrylamide, livré sous forme de poudre ou d'émulsion, à haute concentration par exemple de 5 à 20 g/L, dans de l'eau ou une saumure désoxygénée (pour éviter sa dégradation) ; - injecter cette solution mère dans la tuyauterie d'injection d'eau ou de saumure et à 15 injecter le mélange résultant dans le puits considéré. L'objectif consiste notamment à maintenir une viscosité constante durant l'injection de la solution de polymère hydrosoluble, de manière à obtenir un balayage satisfaisant du réservoir. 20 On sait aujourd'hui mesurer en ligne et en continu la viscosité de la solution mère avec une certaine précision, en particulier avec des viscosimètres Brookfield. Cette mesure est possible même si la solution est très visqueuse et présente une certaine hétérogénéité, en particulier du fait d'une part, de la présence de bulles de gaz faussant la mesure et d'autre 25 part, du fait de la variation de viscosité à même concentration en fonction de la salinité. Les variations de débits et de salinités inhérentes aux processus industriels rendent nécessaires la mesure de la viscosité à l'injection. 30 Ceci peut être effectué par des prises d'échantillons dans les conditions API (American Petroleum Institute) pour éviter la dégradation mécanique due à la décompression rapide de la solution. Cependant, à la connaissance du Demandeur, il n'existe pas de dispositif permettant de 35 mesurer la viscosité lors de l'injection, où la pression dans la tuyauterie varie en général de 50 à 250 bars. Les viscosimètres de l'art antérieur incluent : - les viscosimètres à coupelle type FORD ou ZAHN, les consistomètres, les viscosimètres à chute de bille travaillant à pression atmosphérique ; - les viscosimètres rotatifs type Brookfield qui peuvent être mis en ligne mais pour lesquels, à partir de certaines pressions, les effets mécaniques de déformation faussent la mesure. Ils sont utilisés jusqu'à des pressions de 50 bars, exceptionnellement 70 bars ; - les viscosimètres vibrants montant à des pressions un peu plus élevées mais pour lesquels le cisaillement de la solution non newtonienne donne des résultats aléatoires non corrélables aux viscosités Brookfield mesurées au laboratoire ; - les viscosimètres à piston oscillant présentant les mêmes caractéristiques que les viscosimètres vibrants ; - les viscosimètres capillaires, appareils discontinus, mesurant des vitesses donc des cisaillements très faibles. Seul l'appareil Brookfield permet des extrapolations à cisaillements similaires bien que plus élevés. Le problème que se propose de résoudre l'invention est celui de mettre au point un appareil en ligne permettant de mesurer dans des conditions de hautes pressions allant de 50 à 250 bars, des viscosités corrélables aux viscosités Brookfield mesurées au laboratoire appellées aussi « Viscosité Yield ». DESCRIPTION DE L'INVENTION Le Demandeur a mis au point un ensemble de matériel permettant de mesurer la viscosité d'une solution d'injection en continu et en aval de la pompe d'injection, moyennant la réalisation des deux conditions suivantes : - une homogénéité satisfaisante de la solution de polymère. En effet, il est très difficile de mélanger environ 1 partie en poids de solution mère très visqueuse avec 9 parties en poids de saumure dans un tube d'injection travaillant à un débit de 4 à 100 m3/heure, avec une vitesse de 2 à 5 mètres par seconde. Dans la plupart des solutions proposées dans l'art antérieur, l'homogénéité n'est que partiellement obtenue dans les surfaces d'injection, après quelques milliers de mètres de pipeline et quelques milliers de mètres de tubes d'injection ; - un appareil donnant une viscosité extrapolable en Viscosité Yield, c'est-à-dire à faible cisaillement et permettant des mesures à des pressions extrêmement élevées, c'est-à-dire jusqu'à 250 bars, l'appareil étant constitué de matériaux résistant à la corrosion aux températures d'injection (40 à 120 °C). Plus précisément, la présente invention a pour effet un ensemble de matériel utilisable dans un procédé de récupération assistée de pétrole par injection d'une solution de polymère hydrosoluble et de saumure, comprenant : - un mélangeur, avantageusement statique, apte à homogénéiser, en ligne, la solution ; - un appareil apte à mesurer la viscosité de la solution, à une pression inférieure ou égale à 250 bars, avantageusement comprise entre 50 et 250 bars, et à une température inférieure ou égale à 120 °C, avantageusement comprise entre 40° et 120°C, par mesure d'une perte de charge dans un tube calibré, à débit constant. Dans l'ensemble de matériel selon la présente invention, l'association de ces deux matériels de mélange et de mesure permet une mesure satisfaisante et fiable de la viscosité, après mélange, de la solution mère et de la saumure, haute pression (en pratique 50 à 250 bars). Le mélangeur L'homogénéisation de la solution par mélange nécessite un mélangeur soigneusement 20 étudié assurant le mélange de la solution et limitant la dégradation mécanique du polymère, qui est très sensible au cisaillement. On peut par exemple utiliser un mélangeur dynamique constitué d'un rotor à faible cisaillement permettant d'incorporer la solution mère dans la saumure. L'expérience 25 montre que le rotor ne doit pas dépasser une vitesse de 6 mètres par seconde au grand maximum, ce qui peut être obtenu avec une pompe centrifugeuse à faible vitesse et à fort débit. Cependant, le temps de résidence est faible, ce qui oblige à utiliser plusieurs pompes en série ou une pompe multicellulaire. Bien que cela soit techniquement possible, le coût à fort débit ou à forte pression n'est économiquement pas rentable. 30 Dans un mode de réalisation avantageux, le mélangeur est un mélangeur statique du type de ceux commercialisés par les sociétés Sulzer Chemtech 25 Ltd - Sulzer - Allee 48 - CH 8404 Winterthur - Suisse pour l'Europe et Kenics, Chemineer Inc, 125 Flagship Drive, North Andover, MA 01845 USA. Le mélangeur statique est avantageusement du type de 35 ceux décrits précisément dans le document EP1437173, et commercialisés par SULZER sous les dénominations SMX et SMV. De manière avantageuse, le mélangeur statique comprend au moins un élément de mélange unitaire présentant une structure en treillis. Chaque élément de mélange comprend un corps cylindrique externe renfermant les éléments de mélange proprement dits, lesquels se présentent sous la forme d'une structure en treillis spécifique. Le diamètre des éléments de mélange sont variables, et ajustables en fonction la perte de charge qu'ils engendrent. Le mélangeur statique engendre préférentiellement une perte de charge comprise entre 1 et 5 bars, de préférence entre 2 et 3 bars. Le mélangeur statique comprend avantageusement de 10 à 50 éléments de mélange, plus avantageusement de 20 à 30 éléments de mélange dont le diamètre est de préférence de l'ordre de 10 mm. Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, la vitesse de passage de la solution d'injection de polymère hydrosoluble dans le mélangeur statique est comprise entre 1 et 5 m/s, de préférence 3 m/s. 15 Appareil apte à mesurer la viscosité L'appareil apte à mesurer la viscosité combine : - une pompe dont le débit est régulé par un variateur de vitesse ou une vanne de régulation, 20 - un tube calibré créant une perte de charge, - un débitmètre de précision de type massique à effet de Corolis, à engrenage ovale ou avec une moindre précision électromagnétique, - un appareil de mesure de pression différentielle à grande précision dans la gamme 0 -10 bars et résistant à la fois à la corrosion et aux pressions de ligne, 25 - optionnellement un filtre double avec une maille de 10 microns, par exemple, permettant d'éliminer les matières en suspension pouvant bloquer la pompe ou le débitmètre à roues ovales, - optionnellement, un absorbeur de pulsation de la ligne principale. 30 Avantageusement l'appareil apte à mesurer la viscosité est positionné dans une dérivation de la canalisation principale dans laquelle circule la solution d'injection. La pompe est de préférence volumétrique et dans ce cas elle est associée à un débitmètre de précision et à un variateur de vitesse. Mais la pompe peut aussi être centrifuge dans le 35 cas des faibles pressions (inférieures à 100 bars) et dans ce cas elle est associée à débitmètre et à une vanne de régulation. La pompe est positionnée en amont du tube et en pratique, son débit est, par exemple, de 20 1/h.10 La pompe, le tube, le débitmètre, l'appareil de mesure de pression différentielle, le variateur de vitesse, la vanne de régulation et l'éventuel absorbeur de pulsation sont aptes à résister à des pressions de 250 bars. Ils sont avantageusement fabriqués en un matériau choisi dans le groupe comprenant : - les aciers austéno-ferritiques, avantageusement les aciers austéno-ferritiques contenant entre 24 et 26% de chrome et entre 6 et 8 % de nickel ; - les superalliages contenant principalement du nickel, mais aussi plusieurs métaux comme le chrome, le magnésium, le fer et le titane (Hastelloy). Ces matériaux permettent de faire face à toutes les compositions de saumures rencontrées dans les champs. En pratique, le tube calibré se présente au moins en partie sous la forme d'un serpentin. Dans un mode de réalisation préféré, le tube calibré mesure 20 mètres de long pour un diamètre interne de 10 mm, la paroi présentant une épaisseur de 4 mm. Ses dimensions pourront être modifiées par l'homme de l'art à la condition qu'elles permettent une perte de charge suffisante et mesurable par l'appareil de mesure de pression différentielle. L'appareil de mesure de la pression différentielle permet de mesurer la perte de charge dans le tube calibré inférieure à 2 bars lorsque la pression (d'injection) statique est inférieure ou égale à 250 bars. Selon l'invention, la perte de charge mesurée dans le tube calibré est extrapolable à la viscosité correspondante de la solution de polymère hydrosoluble, mesurée à pression atmosphérique dans un appareil de Brookfield dans les mêmes conditions de concentration et de salinité. Comme déjà dit, la viscosité de la solution est extrapolable en Viscosité Yield, c'est-à-dire à faible cisaillement. L'absorbeur de pulsations est avantageusement en amont de la pompe. En amont de l'absorbeur de pulsations se trouve le filtre double. Ils sont avantageusement positionnés dans la dérivation de la canalisation principale. La présente invention concerne également un procédé permettant de mesurer, en continu, la viscosité de la solution d'injection d'une solution aqueuse de polymère hydrosoluble soumis à haute pression, allant de 50 à 250 bars dans un procédé de récupération assistée de pétrole, en aval de la pompe d'injection. Il met notamment en oeuvre la mesure de la différence de pression correspondant à la perte de charge dans le tube calibré. Cette différence de pression est ensuite corrélée à la viscosité correspondante de la solution mesurée à pression atmosphérique, à l'aide d'un appareil de Brookfield dans les mêmes conditions de salinité et de concentration. Ce procédé met en oeuvre l'ensemble de matériel tel que décrit ci-avant. L'invention et les avantages qui en découlent ressortiront mieux des figures et exemples suivants, donnés afin d'illustrer l'invention et de manière non limitative. DESCRIPTION DES FIGURES La figure 1 représente un ensemble de matériel selon la présente invention comprenant notamment une dérivation, installée sur une canalisation d'injection d'une solution contenant un polymère hydrosoluble dans une installation de récupération assistée de pétrole. La figure 2 représente la différence de pression mesurée pour une solution de polymère 15 hydrosoluble en fonction de sa viscosité. DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION L'ensemble de matériel selon la présente invention est spécifiquement construit de 20 manière à pouvoir être utilisé à des pressions de puits élevées, avec une mesure à faible vitesse extrapolable en viscosité Brookfield (Viscosité Yield), dans des matériaux résistant à la corrosion dans les conditions d'injection. Il comprend notamment sur la canalisation principale (1) d'injection de la solution mère 25 (2) préalablement diluée avec de l'eau de saumure d'injection (3): - un mélangeur statique (4) (commercialisé par SULZER sous les dénominations SMX ou SMV) comprenant 25 éléments - en dérivation de la canalisation principale (1) : o une pompe volumétrique (5) (qui peut également être une pompe centrifuge) présentant un débit de 20 litres/heures, fabriquée en Super Duplex ou en Hastelloy ; o un tube (6) en Super Duplex, de diamètre intérieur 10 mm et d'épaisseur 4mm résistant aux pressions de 250 bars et de longueur 20 métres ; o un débitmètre de précision (7) en Super Duplex de type massique à effet de Coriolis, à engrenage ovale ou avec une moindre précision électromagnétique, o un variateur de vitesse (8) permettant d'ajuster la vitesse au débit requis ; 30 35 o un appareil de mesure de pression différentielle (9) à grande précision dans la gamme 0 -10 bars et résistant à la fois à la corrosion et aux pressions de ligne ; o un filtre double (10) avec une maille de 10 microns, par exemple, 5 permettant d'éliminer les matières en suspension pouvant bloquer la pompe ou de débitmètre à roues ovales ; et o un absorbeur de pulsation de la ligne principale (11). Pour alimenter cet appareil, on prélève la solution ou centre du tube d'injection pour la 10 réinjecter dans la même ligne. Il s'agit bien d'un appareil continu sans rejet à l'atmosphère. Cet appareil a été testé comparativement à des mesures Brookfield sur des solutions de polymères de diverses viscosités avec les résultats de la courbe de la figure 2. Il s'agit 15 plus particulièrement de la perte de charge observée en fonction de la viscosité UL d'une solution d'un copolymère acrylamide/acide acrylique (70/30 en mol) cisaillée à 60 s-1, dans une saumure contenant 5000 ppm de NaCl, à 20°C. La viscosité UL est mesurée à l'aide d'un appareil de Brookfield (module LV 6 t/min) 20 On obtient bien, dans ces conditions une corrélation suffisante entre la perte de charge et la viscosité. Cela permet donc : - d'enregistrer les viscosités d'injection, - de modifier le débit de solution mère pour réguler le débit de la pompe volumétrique et ainsi maintenir la viscosité désirée de la solution. L'ensemble de matériel selon la présente invention permet donc de mesurer des viscosités dans la gamme 1 à 1000 cps, préférentiellement de 5 à 100 cps. L'homme de l'art pourra adapter matériel pour des conditions ou des buts différents. 30 On pourra par exemple : - augmenter la longueur de tube pour accroître la précision de la mesure ; - augmenter le débit pour augmenter la précision à faible viscosité ; - diminuer le débit pour des solutions très visqueuses par exemple utilisées pour des pétroles très visqueux ; 35 - changer le débit de la pompe et le diamètre du tube de mesure... 25 REVENDICATIONS1. Ensemble de matériel utilisable dans un procédé de récupération assistée de pétrole par injection d'une solution de polymère hydrosoluble et de saumure, comprenant : - un mélangeur avantageusement un mélangeur statique apte à homogénéiser, en ligne, la solution ; - un appareil apte à mesurer la viscosité de la solution, à une pression inférieure ou égale à 250 bars, avantageusement comprise entre 50 et 250 bars, et à une température inférieure ou égale à 120 °C, avantageusement comprise entre 40 et 120°C, par mesure d'une perte de charge dans un tube calibré, à débit constant. 2. Ensemble de matériel selon la revendication 1, caractérisé en ce que le mélangeur est un mélangeur statique comprenant au moins un élément de mélange unitaire présentant une structure en treillis. 3. Ensemble de matériel la revendication 2, caractérisé en ce que le mélangeur statique comprend 10 à 50 éléments de mélange, avantageusement 20 à 30 éléments de mélange dont le diamètre est avantageusement d'environ 10 mm. 4. Ensemble de matériel selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que la vitesse de passage de la solution d'injection de polymère hydrosoluble dans le mélangeur statique est comprise entre 1 et 5 mis, de préférence 3 mis. 5. Ensemble de matériel selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que la perte de charge dans le mélangeur statique est comprise entre 1 et 5 bars, de préférence entre 2 et 3 bars. 30 6. Ensemble de matériel selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'appareil apte à mesurer la viscosité comprend : o une pompe dont le débit est régulé par un variateur de vitesse ou une vanne de régulation, o un tube calibré créant une perte de charge, 35 o un débitmètre de précision de type massique à effet de Corolis, à engrenage ovale ou avec une moindre précision électromagnétique, o un appareil de mesure de pression différentielle à grande précision dans la gamme 0 -10 bars et résistant à la fois à la corrosion et aux pressions de ligne.25 7. Ensemble de matériel selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'appareil apte à mesurer la viscosité comprend en outre : - un filtre double avec une maille, avantageusement de 10 microns, permettant d'éliminer les matières en suspension pouvant bloquer la pompe ou le débitmètre à roues ovales, - un absorbeur de pulsation de la ligne principale, 8. Ensemble de matériel selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'appareil apte à mesurer la viscosité est positionné dans une dérivation de la canalisation principale dans laquelle circule la solution d'injection. 9. Ensemble de matériel selon l'une des revendications 6 à 8, caractérisé en ce que la pompe, le tube, le débitmètre, l'appareil de mesure de pression différentielle, le variateur de vitesse, la vanne de régulation et l'éventuel absorbeur de pulsation sont aptes à résister à des pressions de 250 bars, et sont avantageusement fabriqués en un matériau choisi dans le groupe comprenant : - les aciers austéno-ferritiques, avantageusement les aciers austénoferritiques contenant entre 24 et 26% de chrome et entre 6 et 8 % de nickel ; - les superalliages contenant principalement du nickel, mais aussi plusieurs métaux comme le chrome, le magnésium, le fer et le titane (Hastelloy). 10 Ensemble de matériel selon l'une des revendications 6 à 9, caractérisé en ce que la pompe est une pompe volumétrique et son débit est régulé par un débitmètre relié à un variateur de vitesse. 11. Ensemble de matériel selon l'une des revendications 6 à 9, caractérisé en ce la pompe est une pompe centrifuge dont le débit est régulé par un débitmètre associé à une vanne de régulation. 12. Ensemble de matériel selon selon l'une des revendications 6 à 1l, caractérisé en ce que le tube calibré mesure 20 mètres de long pour un diamètre interne de 10 mm, et dont la paroi présentant une épaisseur de 4 mm. 13. Ensemble de matériel selon l'une des revendications 6 à 12, caractérisé en ce que la perte de charge mesurée dans le tube calibré est extrapolable à la viscosité correspondante de la solution de polymère hydrosoluble, mesurée à pression35atmosphérique dans un appareil de Brookfield dans les mêmes conditions de concentration et de salinité. 14. Procédé permettant de mesurer, en continu, la viscosité d'une solution aqueuse de polymère hydrosoluble soumis à haute pression, allant de 50 à 250 bars, dans un procédé de récupération assistée de pétrole, en aval de la pompe d'injection mettant en oeuvre l'ensemble de matériel objet de l'une des revendications 1 à 13, et particulièrement permettant la mesure de la différence de pression correspondant à la perte de charge dans le tube calibré, différence de pression corrélable à la viscosité correspondante de la solution mesurée à pression atmosphérique, à l'aide d'un appareil Brookfield dans les mêmes conditions de salinité et de concentration.