Brevet FR3036395A1 — publié le 20161125

Arrière-plan de l'invention La présente invention concerne une unité de traitement de boue, et un procédé de traitement correspondant. L'unité de traitement et le procédé de traitement selon l'invention sont particulièrement adaptés au traitement de boues de forage du type utilisé dans les travaux de fondations profondes telles que des parois moulées, des barrettes ou des pieux, ainsi que dans les domaines du forage horizontale dirigé et des tunnels. Pendant une opération de forage, la stabilité de l'excavation ou du front de taille est obtenue en remplissant celle-ci de boue de forage. La boue forme sur les parois de l'excavation un dépôt étanche, qui peut être appelé « cake », qui permet de limiter la percolation dans le terrain dans le terrain et empêche l'éboulement des parois. Lorsque la profondeur de l'excavation a atteint le niveau désiré, l'excavation est progressivement remplie de béton, en commençant au-dessous de la boue dans le bas de l'excavation. Au cours de son utilisation, la boue voit ses qualités altérées au contact du sol jusqu'à la rendre impropre à l'utilisation. Sa densité croît inévitablement au cours du creusement, du fait de l'apport de déblais. Or, une densité excessive limite le rendement d'excavation, empêche un transport satisfaisant des déblais de forage, et altère l'efficacité de l'outil de forage. Pour conserver une boue toujours conforme aux exigences du forage, il est indispensable de la traiter en permanence pour en extraire les particules les plus grosses, généralement de diamètre supérieur à 80 microns. On parle de « dessablage » de la boue. Cependant, après deux ou trois cycles de traitement, ses qualités sont trop dégradées pour qu'elle puisse encore être utilisée. Il faut alors travailler avec une boue neuve et gérer les stocks de boues non réutilisables. Pour des raisons de protection de l'environnement, la réglementation dans un nombre croissant de territoires à travers le monde n'accepte plus que les boues de forage usées soient rejetées sous forme liquide. En conséquence, il a fallu développer des procédés de séparation et déshydratation des boues pour les rendre pelletables (i.e. 3036395 2 transportables, non-liquéfiable sous l'effet de vibrations ou de contraintes de cisaillement), avant leur envoi en décharge. On connaît par exemple des procédés de séparation solide-liquide utilisant des décanteurs centrifuges comprenant un carter tournant et, à 5 l'intérieur de ce carter, une vis d'extraction tournant dans le même sens mais à une vitesse différente. Sous l'effet de la force centrifuge, les particules solides denses de la boue sont poussées vers la paroi du carter puis acheminées vers une première sortie du décanteur, et le liquide reste dans la partie centrale d'où il est acheminé vers une seconde sortie du 10 décanteur. De tels décanteurs centrifuges présentent l'inconvénient d'être très couteux et, par ailleurs, très encombrants. Objet et résumé de l'invention Un but de l'invention est de proposer une unité de traitement de 15 boue et un procédé correspondant, qui remédient aux inconvénients de l'art antérieur précités. En particulier, un but de l'invention est de proposer une unité de traitement de boue qui soit peu couteuse et peu encombrante, ainsi qu'un procédé de traitement de boue économique et facile à mettre en oeuvre. 20 Ce but est atteint avec une unité de traitement d'une boue, comprenant : un conduit primaire d'alimentation en boue coagulée, un système de floculation en ligne de la boue coagulée circulant dans le conduit primaire, et 25 - au moins un hydrocyclone alimenté par le conduit primaire et disposé en aval du système de floculation, l'hydrocyclone comprenant un orifice de surverse destiné à recueillir un produit de traitement liquide de la boue et un orifice de sousverse destiné à recueillir un produit de traitement solide de la boue, l'orifice de 30 surverse présentant un diamètre de surverse et l'orifice de sousverse présentant un diamètre de sousverse, et le diamètre de sousverse étant supérieur au diamètre de surverse. Dans le présent contexte, une boue doit être entendue comme tout composé comprenant au moins un mélange d'eau et de particules en 35 suspension dans l'eau. Dans certains cas, la boue peut comprendre de 3036395 3 l'argile, par exemple de la bentonite (on parle alors de boue bentonitique), ou un polymère viscosifiant ou encore un mélange d'argile et d'un tel polymère. Comme il est bien connu en soi, un hydrocyclone est un dispositif 5 qui utilise la force centrifuge pour séparer des particules solides en suspension liquide suivant leur taille. L'hydrocyclone présente normalement un carter principal de forme cylindro-conique qui est alimenté tangentiellement, sous-pression, et dispose de deux sorties : un orifice de surverse par où sortent habituellement les particules les plus 10 fines et le liquide, et un orifice de sousverse par où sortent les particules grossières et une petite fraction de liquide. Les hydrocyclones connus sont typiquement utilisés comme classificateurs dans le dessablage des boues de forage, ou comme épaississeurs dans le domaine du traitement des eaux où ils servent à épaissir les boues organiques. 15 Les hydrocyclones n'ont cependant jamais été utilisés pour la séparation des phases solide et liquide de boues, à laquelle ils n'étaient pas adaptés. Les inventeurs ont mis en évidence qu'un rapport approprié entre le diamètre de l'orifice de surverse et le diamètre de l'orifice de sousverse, 20 associé à un traitement physico-chimique de coagulation / floculation de la boue de forage, permet de modifier l'action de l'hydrocyclone pour obtenir, en sousverse, un produit de traitement solide pelletable. Par produit de traitement solide pelletable, on entend ici un produit dont la consistance solide en empêche l'écoulement, pour permettre ainsi 25 son pelletage. Un tel produit ne présentera par exemple aucun écoulement mesurable dans un essai d'écoulement au cône de Marsh, tel que défini, par exemple, dans l'API Recommended Practice 13B-2. Ce produit de traitement solide peut être accompagné, en sousverse de l'hydrocyclone, par de l'eau libre pouvant en être facilement séparée, 30 grâce à la consistance solide de ce produit de traitement solide, par gravité sur une simple grille. Un produit de traitement liquide de la boue est, au contraire, un produit dont l'écoulement liquide ne permet pas le pelletage, et est par contre mesurable par essai d'écoulement au cône de Marsh. 3036395 4 Selon un exemple, le conduit primaire d'alimentation peut être muni d'une pompe, et le système de floculation en ligne comprendre un conduit secondaire d'alimentation en agent floculant, ledit conduit secondaire étant alors relié au conduit primaire à une jonction située en aval de la 5 pompe. Selon un exemple, le système de floculation en ligne peut comprendre des moyens de mélange en ligne de la boue coagulée et de l'agent floculant, prévus sur le conduit primaire en aval de la jonction. Ces moyens facilitent le mélange de l'agent floculant avec la boue coagulée 10 pour former la boue floculée destinée à alimenter l'hydrocyclone. Par exemple, les moyens de mélange peuvent comprendre un mélangeur statique. Un tel mélangeur garantit une bonne floculation en assurant un bon mélange de la boue coagulée avec l'agent floculant tout en préservant les flocs formés par ce mélange. 15 Selon une disposition particulière, afin de permettre une arrivée rapide du mélange de boue coagulée et d'agent floculant à l'hydrocyclone les moyens de mélange sont disposés à une distance de l'hydrocyclone, sur le conduit primaire, qui est inférieure à 5 mètres, de préférence inférieure à 2 mètres. 20 Il a été démontré que la qualité des produits de traitement solide et liquide est encore améliorée lorsque le rapport entre le diamètre de sousverse et le diamètre de surverse est supérieur à 1,1. Le rapport entre le diamètre de sousverse et le diamètre de surverse peut être, plus particulièrement, compris entre 1,1 et 1,6. 25 La présente invention concerne également un procédé de traitement d'une boue, comprenant au moins la succession d'étapes suivantes : on alimente un conduit primaire d'alimentation en boue coagulée, on réalise la floculation en ligne de ladite boue coagulée circulant 30 dans ledit conduit primaire, on introduit la boue coagulée et floculée dans un hydrocyclone comprenant un orifice de surverse présentant un diamètre de surverse et un orifice de sousverse présentant un diamètre de sousverse, le diamètre de sousverse étant supérieur au diamètre de surverse, et 3036395 5 on décharge un produit de traitement solide de la boue par l'orifice de sousverse et un produit de traitement liquide de la boue par l'orifice de surverse. Par ailleurs, de l'eau libre peut être déchargée, avec le produit de 5 traitement solide, par l'orifice de sousverse. Selon un exemple, le produit de traitement solide peut présenter une siccité - ou pourcentage massique de matière solide - supérieure à 30%. Selon un exemple, le produit de traitement liquide peut être de 10 l'eau comprenant moins de 600 mg par litre de matière en suspension. Selon une disposition particulière, l'alimentation du conduit primaire peut être faite en régime turbulent. Brève description des dessins 15 L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée faite ci-après, à titre indicatif mais non limitatif, en référence aux dessins annexés, sur lesquels : la figure 1 illustre schématiquement une unité de traitement de boue , 20 - la figure 2A illustre schématiquement une vue de côté d'un hydrocyclone de l'unité de traitement de boue de la figure 1 suivant un premier mode de réalisation ; la figure 2B illustre schématiquement une coupe longitudinale de l'hydrocyclone de la figure 2A ; 25 - la figure 3A illustre schématiquement une vue de côté d'un hydrocyclone de l'unité de traitement de boue de la figure 1 suivant un deuxième mode de réalisation ; et la figure 3B illustre schématiquement une coupe longitudinale de l'hydrocyclone de la figure 3A. 30 Description détaillée de l'invention Sur la figure 1, on a représenté schématiquement une unité de traitement de boue 100 selon un exemple de réalisation de l'invention. L'unité de traitement 100 comprend ici : 3036395 6 un conduit primaire 10 d'alimentation en boue coagulée, relié à une cuve de stockage de boue coagulée 14, un système de floculation en ligne 20 de la boue coagulée circulant dans le conduit primaire 10, et 5 un hydrocyclone 30 alimenté par le conduit primaire 10 et disposé en aval du système de floculation 20. Le conduit primaire 10 est donc relié à une cuve 14 de stockage de boue coagulée à l'une de ses extrémités, et à l'hydrocyclone 30 à une autre extrémité. Le conduit primaire 10 est par ailleurs relié, à travers une 10 jonction notée J sur la figure 1 et située entre ses deux extrémités, à un conduit secondaire 22 d'alimentation en agent floculant. Le conduit secondaire 22 est relié par une extrémité au conduit primaire 10 (à la jonction J) et par son autre extrémité à une cuve 50 d'agent floculant. 15 Afin d'assurer un écoulement contrôlé de la solution aqueuse d'agent floculant, une vanne 51, une pompe 52, un étranglement 53 et un clapet anti-retour 54 sont situés, successivement dans le sens de l'écoulement de cette solution aqueuse, entre les deux extrémités du conduit secondaire 22, comme illustré sur la figure 1. La pompe 52 peut 20 être par exemple une pompe à vis, aussi appelée pompe à queue de cochon ou pompe PCM. Ce type de pompe présente l'avantage de ne pas ou peu cisailler l'agent floculant, ce qui permet d'éviter une détérioration de ses propriétés. Sur le conduit primaire 10, une première vanne 60, une pompe 12, 25 et une deuxième vanne 61 sont situées, successivement dans le sens de l'écoulement de la boue coagulée, entre la cuve 14 de stockage de boue coagulée et la jonction J, afin d'assurer l'écoulement contrôlé de la boue coagulée vers cette jonction J. La pompe 12 peut être par exemple une pompe centrifuge. 30 Un mélangeur statique 24 est installé sur le conduit primaire 10, directement en aval de la jonction J, pour assurer un mélange effectif de l'agent floculant avec la boue coagulée. Un étranglement 62 et une vanne 63 sont encore situés, successivement suivant le sens de l'écoulement de ce mélange, sur le conduit primaire 10, entre le mélangeur statique 24 et 35 l'hydrocyclone 30. 3036395 7 Selon la disposition particulière illustrée sur la figure 1, le conduit primaire 10 peut être dépourvu de pompe en aval de la jonction J, afin d'éviter d'entraver la floculation ou détruire les flocs avant leur arrivée dans l'hydrocyclone 30. Toutefois, l'alternative est aussi envisageable. Afin 5 d'obtenir un transport aussi rapide que possible du mélange du mélangeur 24 la longueur du conduit primaire 10 entre le mélangeur 24 et l'hydrocyclone 30 peut être inférieure à 5 mètres, voire même inférieure à 2 mètres. Les figures 2A, 2B et 3A, 3B illustrent en détail deux modes de 10 réalisation alternatifs de l'hydrocyclone 30. Dans chacun des deux, l'hydrocyclone 30 comprend un corps principal 70, un conduit 72 d'alimentation tangentielle, et des orifices 32, 34 de, respectivement, surverse et sousverse. Le corps principal 70 est creux et muni d'une partie conique inversée 71 de hauteur H1. Le conduit 72 d'alimentation 15 tangentielle, qui est connecté au conduit primaire 10, débouche à l'intérieur du corps principal 70, à proximité de son sommet, et est orienté dans un plan transversal sensiblement orthogonal à un axe central Z de la partie conique 71, décalé latéralement par rapport à cet axe central Z, de manière à donner un mouvement de rotation autour de cet axe central X 20 au mélange de boue coagulée et d'agent floculant lors de son entrée dans le corps principal 70. Les orifices 32,34 de surverse et sousverse sont sensiblement alignés avec l'axe central Z de la partie conique 71. L'orifice 32 de surverse s'étend vers le haut depuis une embouchure à l'intérieur du corps principal 70, sous le niveau du conduit 72 d'alimentation 25 tangentielle, et présente un diamètre de surverse Do, tandis que l'orifice 34 de sousverse s'étend vers le bas depuis l'intérieur du corps principal 70, à la pointe inférieure de la partie conique 71, et présente un diamètre de sousverse Du. Le diamètre de sousverse Du est supérieur au diamètre de surverse Do, et peut en particulier être entre 1,1 et 1,6 fois le diamètre 30 de surverse Do. Tandis que dans l'hydrocyclone 30 du premier mode de réalisation, illustré sur les figures 2A et 2B, et qu'on nommera Type 1, le sommet de la partie conique 71 est sensiblement au même niveau que l'embouchure de l'orifice 32 de surverse, dans l'hydrocyclone 30 du deuxième mode de 35 réalisation, ou Type 2, illustré sur les figures 3A et 3B, le corps principal 3036395 8 70 comprend aussi une partie cylindrique 73, interposée entre la partie conique 71 et une partie supérieure 74, dans laquelle sont formées le conduit 72 d'alimentation tangentielle et l'orifice 32 de surverse. Cette partie cylindrique 73 présente une hauteur H2. 5 Retournant désormais vers la figure 1, l'orifice de surverse 32 est connecté à un conduit 80 de récupération d'un produit de traitement liquide de la boue qui débouche dans un réservoir de liquide 81. L'orifice de sousverse 34 débouche au-dessus d'un plan incliné 86 versant sur une grille 82. Un entonnoir 83 de récupération d'eau libre est disposé sous la 10 grille 82 et connecté à un conduit 84 de récupération d'eau libre, débouchant aussi dans le réservoir de liquide 81. Une pompe 85 peut être située sur ce conduit 84 de récupération d'eau libre pour assurer la circulation de l'eau libre vers le réservoir 81. Quand l'unité de traitement de boue 100 est en fonctionnement, de 15 la boue minérale liquide coagulée est extraite de la cuve 14 à travers le conduit primaire 10. Cette boue minérale liquide coagulée peut être par exemple le produit d'un mélange préalable d'une boue minérale liquide et d'un agent coagulant choisi parmi les sels de fers et/ou d'aluminium, ou les polymères cationiques. Ce procédé de traitement est particulièrement 20 intéressant pour des boues de forage dégradées, avec une densité inférieure à 1,5 kg/dm3, une viscosité supérieure à 1 mPa-s et dans lesquelles au moins 80% en poids de la fraction solide soit composée de matières inorganiques. L'agent coagulant peut notamment être du chlorure ferrique adjoint à la boue minérale liquide dans une proportion de 25 jusqu'à 6 dm3 de solution aqueuse à 41% volumique de chlorure ferrique par mètre cube de boue. Le diamètre du conduit primaire 10 peut être choisi, en fonction du débit, viscosité et densité de la boue minérale liquide coagulée, pour assurer un écoulement turbulent de cette boue à travers le conduit 30 primaire 10. Pour cela, le diamètre du conduit primaire 10 peut être choisi de manière à obtenir un nombre de Reynolds Re égal ou supérieur à 4000. A partir de la jonction J et en particulier dans le mélangeur 24, la boue coagulée est mélangée à de l'agent floculant en solution aqueuse 35 extrait simultanément, à travers le conduit secondaire 22, de la cuve 50 3036395 9 d'agent floculant. L'agent floculant peut par exemple être choisi parmi les polyacrylamides anioniques et/ou cationiques, et particulièrement celles à haut ou très haut poids moléculaire, linéaires, ramifiées ou réticulées. Pour une polyacrylamide anionique, on entend par « haut poids moléculaire » 5 un poids moléculaire entre 10000 et 15000 kg/mol, et par « très haut poids moléculaire » un poids moléculaire entre 15000 et 20000 kg/mol. Pour une polyacrylamide cationique, on entend par « haut poids moléculaire » un poids moléculaire entre 5000 et 10000 kg/mol, et par « très haut poids moléculaire » un poids moléculaire supérieur à 10000 10 kg/mol. La concentration de la solution aqueuse d'agent floculant peut être, par exemple, de 1 à 3 kg d'agent floculant par mètre cube, et elle peut être mélangée à la boue en une proportion volumique allant de trois parts de boue coagulée pour chaque deux parts de solution aqueuse d'agent floculant à neuf parts de boue coagulée pour chaque part de 15 solution aqueuse d'agent floculant. En arrivant à l'hydrocyclone 30, sous l'effet de son alimentation tangentielle, le mélange de boue coagulée et d'agent floculant subit un mouvement de rotation entraînant une centrifugation. Un produit de traitement solide de la boue se déplace vers la paroi extérieure du corps 20 principal 70 pour être évacué en sousverse, tandis qu'un produit de traitement liquide se concentre au centre du corps principal pour être évacué en surverse. Le produit de traitement solide, sortant par l'orifice de sousverse 34, tombe alors sur le plan incliné 86 et jusqu'à la grille 82, qui le sépare 25 de l'eau libre sortant aussi par l'orifice de sousverse 34. Cette eau libre est évacuée par le conduit de récupération 84 jusqu'au réservoir de liquide 81. Le produit de traitement liquide est également évacué vers le réservoir de liquide 81, à travers le conduit 80. On peut ainsi obtenir, à travers ce procédé de traitement dans l'unité de traitement 100, un produit de 30 traitement solide, avec une siccité pouvant être supérieure à 30%, mais surtout avec une consistance pelletable pour son envoi en décharge, à partir d'une boue minérale liquide. Le tableau suivant présente deux exemples de mise en oeuvre de ce procédé, à partir de la même boue minérale liquide, avec des paramètres 3036395 10 de traitement différents et des hydrocyclones des Types 1 et 2, résultant en chaque cas en un produit de traitement solide pelletable : Exemple 1 Exemple 2 Densité boue coagulée 1,2 kg/dm3 1,2 kg/dm3 Siccité boue coagulée 25% 25% Coagulant Solution aqueuse Solution aqueuse de FeCl3 à 41% vol. (4 dm3 par m3 de boue coagulée) de FeCl3 à 41 % vol. (4 dm3 par m3 de boue coagulée) Solution pour floculation Solution aqueuse Solution aqueuse de de polyacrylamide polyacrylamide anionique de très anionique de haut haut poids poids moléculaire et moléculaire et faible anionicité (2 faible anionicité g/1) (2 g/1) Ratio vol. boue coagulée / solution floculation 70 / 30 70 / 30 Pression alimentation hydrocyclone 0,2 MPa 0,2 MPa Débit alimentation hydrocyclone 9,5 m3/h 12,5 m3/h Type hydrocyclone Type 1 Type 2 Hauteur H1 470 mm 470 mm Hauteur H2 - 280 mm Proportion Du/Do 1,11 1,11 Débit sousverse 6,4 m3/h 8,2 m3/h Siccité produit solide 43 % 45 0/0 5 Quoique la présente invention ait été décrite en se référant à des exemples de réalisation spécifiques, il est évident que des différentes modifications et changements peuvent être effectués sur ces exemples 3036395 11 sans sortir de la portée générale de l'invention telle que définie par les revendications. En outre, des caractéristiques individuelles des différents modes de réalisation évoqués peuvent être combinées dans des modes de réalisation additionnels. Par conséquent, la description et les dessins 5 doivent être considérés dans un sens illustratif plutôt que restrictif. REVENDICATIONS1. Unité de traitement (100) d'une boue, comprenant : un conduit primaire (10) d'alimentation en boue coagulée, un système de floculation en ligne (20) de la boue coagulée circulant dans le conduit primaire (10), et au moins un hydrocyclone (30) alimenté par le conduit primaire (10) et disposé en aval du système de floculation (20), l'hydrocyclone (30) comprenant un orifice de surverse (32) destiné à recueillir un produit de traitement liquide de la boue et un orifice de sousverse (34) destiné à recueillir un produit de traitement solide de la boue, l'orifice de surverse (32) présentant un diamètre de surverse (Do) et l'orifice de sousverse présentant un diamètre de sousverse (Du), et le diamètre de sousverse (Du) étant supérieur au diamètre de surverse (Do). 2. Unité de traitement (100) selon la revendication 1, dans laquelle le conduit primaire d'alimentation (10) est muni d'une pompe (12), et le système de floculation en ligne (20) comprend un conduit secondaire (22) d'alimentation en agent floculant, ledit conduit secondaire (22) étant relié au conduit primaire (10) à une jonction (J) située en aval de la pompe (12). 3. Unité de traitement (100) selon la revendication 2, dans laquelle le système de floculation en ligne (20) comprend des moyens de mélange en ligne (24) de la boue coagulée et de l'agent floculant, prévus sur le conduit primaire (10) en aval de la jonction (J). 4. Unité de traitement (100) selon la revendication 3, dans laquelle les moyens de mélange (24) comprennent un mélangeur statique. 5. Unité de traitement (100) selon la revendication 3 ou 4, dans laquelle les moyens de mélange (24) sont disposés à une distance de 3036395 13 l'hydrocyclone (30), sur le conduit primaire (10), qui est inférieure à 5 mètres, de préférence inférieure à 2 mètres. 6. Unité de traitement (100) selon l'une quelconque des revendications 5 1 à 5, dans laquelle le rapport entre le diamètre de sousverse (Du) et le diamètre de surverse (Do) est supérieur à 1,1. 7. Procédé de traitement d'une boue, comprenant au moins la succession d'étapes suivantes : 10 - on alimente un conduit primaire d'alimentation (10) en boue coagulée, on réalise la floculation en ligne de ladite boue coagulée circulant dans ledit conduit primaire (10), - on introduit la boue coagulée et floculée dans un hydrocyclone (30) 15 comprenant un orifice de surverse (32) présentant un diamètre de surverse (Do) et un orifice de sousverse (34) présentant un diamètre de sousverse (Du), le diamètre de sousverse (Du) étant supérieur au diamètre de surverse (Do), et - on décharge un produit de traitement solide de la boue au niveau de 20 l'orifice de sousverse (34) et un produit de traitement liquide de la boue au niveau de l'orifice de surverse (32). 8. Procédé de traitement selon la revendication 7, dans lequel le produit de traitement solide présente une siccité supérieure à 30%. 25 9. Procédé de traitement selon la revendication 7 ou 8, dans lequel le produit de traitement liquide est de l'eau comprenant moins de 600mg par litre de matière en suspension. 30 10. Procédé de traitement selon l'une quelconque des revendications 7 à 9, dans lequel l'alimentation du conduit primaire (10) se fait en régime turbulent.