Brevet FR2976031A1 — publié le 20121207

La présente invention concerne le domaine des agents réducteurs de traînée, couramment nommés "DRA" ou "Drag Reducing Agent", mis en oeuvre pour réduire les pertes de charge d'un liquide en écoulement. Les agents réducteurs de traînée sont largement utilisés par l'industrie pétrolière pour améliorer les débits de production d'effluent pétrolier brut. En dissolution dans un liquide, les agents réducteurs de traînée permettent de réduire les pertes de charge d'un écoulement en régime turbulent. Les agents réducteurs de traînée sont des polymères linéaires, de forte masse moléculaire et présentant une bonne flexibilité. Bien qu'ayant fait l'objet de nombreuses études, leur mécanisme physique d'action est encore mal défini. Néanmoins, il est connu et vérifié que l'injection d'une faible quantité d'agents réducteurs de traînée permet de réduire sensiblement les pertes de charge d'un liquide en écoulement turbulent. Le principal inconvénient des agents réducteurs de traînée est leur sensibilité à la dégradation mécanique qui amoindrit progressivement leurs performances. Sous l'effet du cisaillement induit par l'écoulement du liquide, les longues chaînes de polymère peuvent être progressivement réduites en éléments de longueurs plus petites et de plus faibles poids moléculaires. C'est l'effet de dégradation mécanique qui se traduit par une perte progressive de l'efficacité du DRA. En pratique, il est nécessaire d'injecter régulièrement des agents réducteurs de traînée à différentes positions le long du trajet suivi par le fluide en écoulement, afin de compenser la perte d'efficacité. De plus, afin de conserver un effet réducteur de traînée sur une distance de parcours aussi longue que possible, les DRA sont injectés à une concentration supérieure à la concentration minimale suffisante pour obtenir un bon effet de réduction de traînée. La présente invention propose de mettre en oeuvre les DRA dans des conditions d'écoulement qui ne provoquent pas de dégradation des DRA et, donc qui permettent de minimiser la quantité de DRA nécessaire au bon écoulement du liquide. De manière générale, l'invention propose un procédé de transport d'un liquide, dans lequel on effectue les étapes suivantes : a) on détermine un domaine de conditions hydrodynamiques d'écoulement turbulent du liquide comportant des agents réducteurs de traînée, domaine dans lequel les agents réducteurs de traînée ne se dégradent pas, b) on choisit des conditions hydrodynamiques d'écoulement qui appartiennent audit domaine, c) on détermine au moins l'une des caractéristiques choisies parmi la géométrie d'une conduite et le débit d'écoulement, pour transporter ledit liquide par circulation dans ladite conduite dans lesdites conditions hydrodynamiques d'écoulement choisies à l'étape b), d) on transporte ledit liquide par circulation dans ladite conduite en appliquant ladite au moins une des caractéristiques déterminées à l'étape c). Dans le procédé selon l'invention, les conditions hydrodynamiques d'écoulement peuvent comporter : le coefficient de friction de l'écoulement f = 4 D L 1 OP 2 2pU le nombre de Reynolds Re = PUD avec : D : diamètre de la conduite, L: longueur de la conduite, AP: perte de charges, U: vitesse linéaire moyenne du fluide, p : masse volumique du fluide, p : viscosité dynamique du fluide. A l'étape a), le domaine peut être défini entre la droite d'équation 1/i=191ogRe/-32.4 et la droite d'équation 1/i=151ogReNrf-27 dans un diagramme de Prantl-Karman. 25 A l'étape a), on peut effectuer les opérations suivantes : on prépare un échantillon contenant ledit liquide comportant les agents réducteurs de traînée, on fait circuler l'échantillon dans une conduite en mesurant les pertes de charge au cours du temps, puis on augmente par pallier la vitesse d'écoulement de l'échantillon, le domaine pouvant être déterminé par les conditions d'écoulements correspondant aux paliers pour lesquels les pertes de charge mesurées ne varient pas au cours du temps. A l'étape c), on peut déterminer le débit d'écoulement du liquide dans une conduite existante. A l'étape c), on peut déterminer la géométrie d'une conduite lors de la conception d'une conduite. Le liquide peut comporter entre 10 ppm et 150 ppm d'agent réducteur de 15 traînées. Les écoulements turbulents peuvent avoir un nombre de Reynolds au moins supérieur à 2100. Le liquide peut être un effluent pétrolier issu d'un puits pétrolier, un fluide aqueux mis en oeuvre dans un procédé de récupération assistée d'un gisement 20 pétrolier, une eau de production envoyée dans un puits de réinjection. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris et apparaîtront clairement à la lecture de la description faite ci-après en se référant aux dessins parmi lesquels : 25 la figure 1 représente une installation expérimentale pour tester la dégradation des DRA, les figures 2 et 3 représentent des diagrammes de Prandtl-Karman. Les inventeurs ont mis en évidence que dans des conditions particulières 30 d'écoulement turbulent, les agents réducteurs de traînée ne se dégradaient pas. La présente invention propose de déterminer le domaine d'écoulement turbulent pour lequel les DRA ne se dégradent pas (voir étape 1), puis d'utiliser la connaissance de ce domaine pour déterminer les conditions d'écoulement d'un fluide de manière à limiter la quantité de DRA injecté, voire de supprimer la réinjection de DRA (voir étape 2). Dans la présente description, les dénominations "agents réducteurs de traînée", ou encore "DRA" désignent des polymères qui présentent un effet de réduction de traînée d'un liquide en écoulement. Ces polymères forment des chaînes longues, flexibles et présentant des ramifications restreintes. Ils présentent une bonne solubilité dans un liquide solvant, aqueux ou organique selon le cas. En général, la masse moléculaire des DRA est élevée, couramment supérieure à 106 g/mol. Par exemple, on peut mettre en oeuvre les DRA suivants dans le procédé selon l'invention : les produits de marque LiquidPower (LP100, LP111, LPH2O, LP300) commercialisés par la société ConocoPhilips ou les produits commercialisé par la société Baker Hughes sous les marques FLO XL ou FLO MX. Les DRA sont mis en oeuvre pour améliorer l'écoulement de tout type de fluide comprenant une phase liquide, par exemple une phase aqueuse ou une phase organique. Par exemple, la présente invention peut être mise en oeuvre dans le cadre de l'injection de "DRA" dans un effluent pétrolier constitué d'huile et pouvant en outre comporter une fraction de gaz hydrocarboné et éventuellement une phase aqueuse. L'invention peut également s'appliquer à l'utilisation des "DRA" pour améliorer l'écoulement de fluide aqueux mis en oeuvre pour la production assistée d'un gisement pétrolier (couramment nommé Enhanced Oil Recovery) ou pour améliorer l'écoulement de fluide aqueux dans des systèmes d'injection d'eau de production vers des puits de ré-injection (couramment nommés "disposai wells"). La présente invention s'applique à des fluides dans des conditions d'écoulement en régime turbulent, c'est-à-dire que l'écoulement en conduite 3o présente un nombre de Reynolds supérieur à 2100, de préférence supérieur à 2500, voire supérieure à 3000. Étape 1 : Détermination du domaine d'écoulement turbulent sans dégradation des DRA Le domaine d'action des DRA dans un liquide en écoulement dans une conduite de diamètre D et de longueur L peut être décrit et délimité par deux droites N et M dans le diagramme de Prantl-Karman en fonction des conditions hydrodynamiques de l'écoulement en fonction du coefficient de friction de l'écoulement et du nombre de Reynolds. Deux exemples de diagramme de Prantl-Karman sont représentés sur les figures 2 et 3. La droite N, couramment nommée corrélation de Blasius, a pour équation : 1/.N/-i =41ogRe-ff-'-0.4 La droite M, couramment nommée asymptote de Virk, a pour équation : 1/J =191ogReJ-32.4 f est le coefficient de friction l'écoulement, défini par la relation: f = 1 OP 4 L)1 pu2 2 Re est le nombre de Reynolds définit par la relation : Re = pUD P avec : D : diamètre de la conduite [m], L: longueur de la conduite [m], AP: perte de charges [Pa], U: vitesse linéaire moyenne du fluide [m/s], p : masse volumique du fluide [kg/m3] p : viscosité dynamique du fluide [Pa.s] Le domaine d'écoulement turbulent du liquide comportant des DRA est délimité, d'une part, par la courbe N et, d'autre part par la courbe M. La courbe N correspond aux conditions d'écoulement turbulent d'un liquide sans efficacité, autrement dit sans aucun effet, des DRA. Donc, la courbe N correspond aux conditions d'écoulement avec des pertes de charges égales à celle d'un liquide sans DRA dans les mêmes conditions d'écoulement en régime turbulent. La courbe M représente les conditions d'écoulement turbulent d'un liquide avec une efficacité maximum des DRA qui induisent des pertes de charges proches de celles d'un régime en écoulement laminaire. De manière générale, les inventeurs ont découvert que la zone de non dégradation des DRA se trouve préférentiellement entre l'asymptote de Virk, c'est- à-dire la courbe M, et la droite A d'équation 1/'ff =151ogRe'-27, représentée en pointillés sur les figures 2 et 3. Dans cette zone comprise entre les droites A et M, les DRA limitent au maximum l'apparition des tourbillons à l'origine de leur dégradation et s'auto-protègent. En effet, l'action des DRA permet de réduire suffisamment les turbulences dans l'écoulement du liquide pour éviter de rompre leurs chaînes polymères. Cette zone est identifiée à l'aide des tests décrits ci- après. Tests Les tests sont effectués sur des échantillons de liquide contenant les DRA que l'on souhaite caractériser. Les DRA sont dissous dans le liquide dont on souhaite réduire les pertes de charge à une concentration massique choisie entre 10 et 150ppm. On prépare plusieurs échantillons identiques à partir du même liquide contenant le même DRA, dans les mêmes proportions. 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 la dégradation des DRA au cours du temps. Par exemple, on mesure les pertes de charge du liquide en écoulement. Puis, on fait varier les conditions d'écoulement par palier, et à chaque palier, on mesure à nouveau les pertes de charges du liquide en écoulement. On peut commencer par un premier test à l'entrée dans la zone d'écoulement turbulent, c'est à dire avec un écoulement ayant un nombre de Reynolds Re au moins supérieur à 2100. A ce premier test, les conditions d'écoulements hydrodynamique sont Re=2100 et la valeur du coefficient de friction de l'écoulement f est calculé à partir de la mesure de la perte de charges. Puis, au palier suivant, on sévérise les conditions d'écoulement, c'est à dire que l'écoulement est plus turbulent qu'au palier précédent. Par exemple, on augmente le débit de liquide afin que l'écoulement présente un Re supérieur au Re du palier précédent. Et, pour les nouvelles conditions d'écoulement, on mesure à nouveau les pertes de charges du liquide en écoulement pour déterminer la valeur du coefficient de friction f. Si les pertes de charges du liquide en écoulement n'évoluent pas au cours du temps, cela signifie que le DRA ne subit pas de dégradation. Par contre si on observe une augmentation des pertes de charges mesurées au cours du temps, cela signifie que le DRA s'est dégradé. Le domaine d'écoulement turbulent du liquide sans dégradation des DRA est défini par les conditions d'écoulements, c'est-à-dire les valeurs de Re et de f, correspondant aux paliers pour lesquels les pertes de charge mesurées ne varient pas au cours du temps. Par contre, les conditions des paliers pour lesquels les pertes de charge varient au cours du temps sont en dehors du domaine. Par exemple, pour déterminer la dégradation des DRA au cours du temps, on mesure la perte de charge générée au cours de l'écoulement de l'échantillon dans une conduite 1 expérimentale. La figure 1 présente un schéma de dispositif expérimental permettant une caractérisation en conduite. Pour ce faire, on met l'échantillon en écoulement au moyen de la pompe P dans une conduite 1 de géométrie connue, par exemple une conduite cylindrique de diamètre et de longueur connus, de préférence à un débit constant. Pour faciliter l'expérimentation, la conduite 1 est configurée en boucle fermée avec un réservoir R de liquide. La perte de charge et le débit sont mesurés au cours du temps. La perte de charge est mesurée par différence de pression entre deux points de la conduite par le manomètre 2. Le débit est mesuré par le débitmètre D. Exemple 1: Le cas 1 correspond à un effluent pétrolier brut comportant 100 ppm de DRA mis en écoulement dans la conduite expérimentale décrite en référence à la figure 1. La conduite a une longueur 3m10 dont 2m pour l'établissement du régime d'écoulement et 1 m10 où des capteurs de pression sont disposés. La conduite présente un diamètre interne de 13 mm. L'effluent s'écoule au débit de 2400 I/h. Le cas 2 correspond aux mêmes conditions que le cas 1 mais avec une concentration de 150ppm en DRA et un débit de 28001/h. Le cas 3 est identique au cas 2 mais avec une teneur de 50ppm en DRA. Le cas 4 correspond à un kérosène comportant 150 ppm de DRA mis en écoulement turbulent dans le même équipement au débit d'environ 2400 I/h. Le cas 5 est identique au cas 4, mais avec une teneur en DRA de 50ppm. Le tableau ci-dessous récapitule les conditions des tests effectués: cas fluide teneur en DRA Q (I/h) 1 brut 100 2400 2 brut 150 2800 3 brut 50 2800 4 kérosène 150 2400 5 kérosène 50 2400 La figure 2 représente les conditions hydrodynamiques de ces différents cas sur un diagramme en coordonnées de Prandtl-Karman. Elles se situent dans une zone entre la droite A et la droite N. Dans ces conditions, on a observé une augmentation des pertes de charges mesurées au cours du temps, ce qui signifie que les DRA se dégradent. Exemple 2: Les deux cas suivants illustrent une utilisation de DRA dans des 25 conditions hydrodynamiques sans dégradation. Le cas 1 correspond à un brut comportant 100 ppm de DRA mis en écoulement dans la conduite expérimentale décrite en référence à la figure 1. La conduite a une longueur 3m10 dont 2m pour l'établissement du régime d'écoulement et 1 m10 où des capteurs de pression sont disposés. La conduite présente un diamètre interne de 13 mm. L'effluent s'écoule au débit de 1800 I/h. Le cas 2 est un cas sur champ avec 10 ppm de DRA mis dans un effluent pétrolier brut en écoulement turbulent à un débit de 861/s dans une conduite de diamètre de D=0,254 m. La figure 3 représente les conditions hydrodynamiques de ces deux cas sur un diagramme en coordonnées de Prandtl-Karman. Elles se situent dans une zone entre la droite M et la droite A, c'est-à-dire proche de l'asymptote de Virk. Dans ces conditions, on a observé que la perte de charge n'évolue pas au cours du temps ce qui signifie que les DRA ne se dégradent pas. Étape 2 : Utilisation du domaine d'écoulement turbulent sans 15 dégradation des DRA Selon l'invention, on transporte le liquide comportant les DRA par circulation dans une conduite en choisissant les conditions d'écoulement dans le domaine d'écoulement turbulent, c'est-à-dire un écoulement ayant un Re au moins supérieur à 2100, sans dégradations des DRA déterminé à l'étape 1. 20 Le débit et ou la géométrie de la conduite sont déterminées pour le type de DRA et la concentration de DRA pour lesquels les tests de l'étape 1 ont été réalisés. Pour une configuration donnée d'une conduite, l'invention permet de déterminer les débits d'écoulement maximaux pour lesquels les DRA ont une 25 efficacité optimale sans dégradation mécanique. Par exemple dans le cas d'une installation existante de production d'un brut pétrolier, on choisit le débit d'écoulement du brut pétrolier dans la conduite de manière à ce que les conditions d'écoulement soient dans le domaine déterminé à l'étape 1, c'est-à-dire dans la zone située entre la droite A et la droite N. Puis, on fait circuler le brut 3o pétrolier comportant les DRA à ce débit choisi dans la conduite existante. L'invention peut également être mise en oeuvre lors de la conception d'une conduite de production d'un effluent pétrolier. Par exemple, l'exploitation du champ pétrolier peut imposer de produire un débit donné de brut pétrolier, pour des considérations techniques ou économiques. Dans ce cas, pour un débit donné, on choisit la géométrie de la conduite de manière à ce que les conditions d'écoulement soient dans le domaine déterminé à l'étape 1, c'est-à-dire dans la zone située entre la droite A et la droite N. Puis, on fait circuler le brut pétrolier comportant les DRA au débit imposé dans la conduite de géométrie choisie. On peut également déterminer simultanément le débit et la géométrie de la conduite lors de la conception d'une conduite de production d'un effluent pétrolier. Dans ce cas, on choisit le débit et la géométrie de la conduite de manière à ce que les conditions d'écoulement soient dans le domaine déterminé à l'étape 1, c'est-à-dire dans la zone située entre la droite A et la droite N. Puis, on fait circuler le brut pétrolier comportant les DRA au débit choisi et dans la conduite choisie. De la même manière, on peut appliquer l'étape 2 à un fluide aqueux mis en oeuvre pour la production assistée d'un gisement pétrolier ou pour les systèmes d'injection d'eau de production dans des puits de ré-injection. Par conséquent, la présente invention permet de transporter un fluide en limitant la quantité de DRA injecté dans le fluide en circulation, voire en supprimant la nécessité de réinjecter des DRA dans le fluide. REVENDICATIONS1) Procédé de transport d'un liquide, dans lequel on effectue les étapes suivantes : a) on détermine un domaine de conditions hydrodynamiques d'écoulement turbulent du liquide comportant des agents réducteurs de traînée, domaine dans lequel les agents réducteurs de traînée ne se dégradent pas, b) on choisit des conditions hydrodynamiques d'écoulement qui appartiennent audit domaine, c) on détermine au moins l'une des caractéristiques choisies parmi la géométrie d'une conduite et le débit d'écoulement, pour transporter ledit liquide par circulation dans ladite conduite dans lesdites conditions hydrodynamiques d'écoulement choisies à l'étape b), d) on transporte ledit liquide par circulation dans ladite conduite en appliquant ladite au moins une des caractéristiques déterminées à l'étape c). 2) Procédé selon la revendication 1, dans lequel les conditions 20 hydrodynamiques d'écoulement comportent le coefficient de friction de l'écoulement f = 4 D 1 OP - pUz 2 le nombre de Reynolds Re = pUD P avec : D : diamètre de la conduite, L: longueur de la conduite, 25 AP: perte de charges, U: vitesse linéaire moyenne du fluide, p : masse volumique du fluide, p : viscosité dynamique du fluide. 3) Procédé selon la revendication 2, dans lequel à l'étape a), le domaine est défini entre la droite d'équation =191ogReNft-32.4 et la droite d'équation 1/'\a- =15logRei-27 dans un diagramme de Prantl-Karman. 4) Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel, à l'étape a), on effectue les opérations suivantes : on prépare un échantillon contenant ledit liquide comportant les agents réducteurs de traînée, 10 on fait circuler l'échantillon dans une conduite en mesurant les pertes de charge au cours du temps, puis on augmente par pallier la vitesse d'écoulement de l'échantillon, le domaine étant déterminé par les conditions d'écoulements correspondant aux paliers pour lesquels les pertes de charge mesurées ne varient pas au cours du 15 temps. 5) Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel à l'étape c), on détermine le débit d'écoulement du liquide dans une conduite existante. 20 6) Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel à l'étape c), on détermine la géométrie d'une conduite lors de la conception d'une conduite. 7) Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le liquide comporte entre 10ppm et 150ppm d'agent réducteur de traînées. 8) Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel les écoulements turbulents ont un nombre de Reynolds au moins supérieur à 2100. 9) Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le 30 liquide est un effluent pétrolier issu d'un puits pétrolier, un fluide aqueux mis en 25oeuvre dans un procédé de récupération assistée d'un gisement pétrolier, une eau de production envoyée dans un puits de réinjection.