Brevet FR3063230A1 — publié le 20180831

Canne d'injection Liquide - Liquide pour Dilution de solution de polymère 1 Objectifs de l'innovation Diluer dans l'eau une solution concentrée de polymère type PAM le plus rapidement et de manière homogène afin d'obtenir cette solution diluée de PAM dès la sortie de l'unité de dilution. Applications : - Pétrole : récupération assistée du pétrole (EOR pour Enhanced Oil Recovery) - Traitement des eaux : municipales, industrielles, minières. Polymère de type polyacrylamide et associés (PAM) : copolymères (Acrylamide, Acide acrylique), terpolymères (Acrylamide, Acide acrylique, acide acrylamido-2-méthylpropane sulfonique (AMPS pour Acrylamido-2- methylpropane sulfonic acid), polymères post hydrolysés, polymères additivés. 1.1 Installation type de dissolution et dilution de PAM 1.1.1 Vue d'ensemble d'une unité de dissolution et de dilution Afin de pouvoir être utilisé le polymère PAM sous forme de poudre doit être dissout dans l'eau à des concentrations de 0,25 à 5g/I. Cette mise en solution s'effectue en deux étapes principales : - Une première étape de dissolution de la poudre dans l'eau qui donne lieu à une solution aqueuse concentrée de PAM, concentration de 3 à 20 g/I, - Une seconde étape de dilution de cette solution concentrée qui donne lieu à une solution diluée directement utilisable, concentration de 0,25 à 5 g/I. Selon les besoins et les contraintes d'application, la seconde étape de dilution peut s'effectuer à haute pression (de 5 à 250 barg) ou à basse pression (de 1 à 5 barg). 1.1.1.1 Cas d'une dilution haute pression La figure 1 illustre l'unité de dissolution et de dilution de PAM avec dilution à haute pression. 3063230 2 1.1.1.2 Cas d'une dilution basse pression La figure 2 illustre l'unité de dissolution et de dilution de PAM avec dilution à basse pression. 1.1.2 Installation type de dilution de solution de PAM concentrée actuelle 5 L'étape de dilution de la solution de PAM concentrée est habituellement constituée d'un point d'injection de type tube pénétrant, suivi d'un mélangeur statique en ligne. Figure 3: Unité type de dilution de solution concentrée de PAM. La configuration de la figure 3, ne permet pas une dilution homogène à la sortie du mélangeur statique. La surface 10 de contact entre la solution concentrée et l'eau de dilution en amont du mélangeur statique est faible et augmente le temps de diffusion de l'eau dans la solution concentrée. Ce temps de diffusion de l'eau de dilution dans la solution concentrée est reporté en aval du mélangeur statique, induisant une inhomogénéité de la solution diluée directement en sortie de l'unité de dilution. 1.1.3 Installation de dilution de solution de PAM concentrée avec la nouvelle canne d'injection 15 Le principe de fonctionnement de cette dilution est de diffuser l'eau de dilution via un tube perforé dans la chambre d'injection dans laquelle est introduite en amont la solution concentrée. 3063230 3 La figure 4 illustre l'unité type de dilution de solution concentrée de PAM, avec la nouvelle canne d'injection. 1.2 Améliorer et accélérer l'homogénéisation d'une solution diluée de poudre de PAM Le mélange liquide / liquide envisagé pour cette innovation est spécifique, il concerne deux solutions aqueuses de 5 viscosités différentes. La différence de viscosité est liée à la présence de polymère de type PAM, dissout à différentes concentrations dans l'eau. La dissolution du PAM dans l'eau procède de deux mécanismes : A. Dispersion de vésicules de solution concentrée de PAM dans l'eau de dilution pour des concentrations initiales de : 10 a. 3 à 20 g/I, b. 5 à 15 g/I, c. 8 à 12 g/I. Cette étape permet de créer une surface d'échange la plus grande possible PAM / eau. B. Dilution du PAM 15 Cette étape correspond à la migration de l'eau dans les vésicules de solution concentrées de PAM, afin d'atteindre des concentrations de : a. 0,25 à 5 g/I, b. 0,5 à 3.5 g/I, c. 0,8 à 3 g/I 20 La dilution de solution de polymère dans l'eau dans des unités industrielles doit s'effectuer de manière très rapide : la solution doit être parfaitement homogène directement à la sortie de l'unité de dilution. Des essais pilotes pour différents types de mélangeur statique, n'ont pas permis de mettre en évidence un équipement de dilution répondant à ce critère homogénéité. Le caractère non newtonnien des solutions concentrées et diluées, rendent impossible la modélisation prédictive du mélange. 25 Par ailleurs, l'option d'augmenter le nombre d'éléments des mélangeurs statiques, solution potentielle, n'est pas applicable dans les conditions industrielles car elle augmente la perte de charge en ligne de manière rédhibitoire. Aucun équipement, ne répond à ces critères sur le marché. 1.3 Augmentation de la qualité de dilution Les exigences d'assurance et de contrôle qualité (QA/QC) client, relatif à la dilution des solutions de PAM diluées, pour applications EOR ou WT sont les suivantes : 3063230 4 - Critères d'homogénéisation : viscosité de la solution de polymère o Protocoles et équipements : - SNF : Viscosimètre KINEXUS Pro+ / Cône plan : 2° / Cisaillement : 7 s-1 à25°C , o Mesure : suivi de la viscosité directement en aval de l'unité de dilution pour différentes dilutions 5 de solution concentrée de PAM; - Critères de filtrabilité de la solution de PAM diluée : o SNF Protocole : QC-5061 Afin de répondre à ces critères directement en sortie de l'unité de dilution, la solution doit être parfaitement homogène à la concentration envisagée. 10 L'objectif de l'innovation est de permettre à la solution de PAM diluée de répondre à ces critères d'homogénéité dès la sortie de l'unité de dissolution. 2 Contexte d'usage 2.1 Modalités de mesure : Définition de l'homogénéité 2.1.1 Critères d'homogénéité 15 Mesurer l'homogénéité de la solution diluée de PAM, en continue et de manière fiable, nécessite un critère de mesure rapide ce qui est le cas de la conductimétrie. L'homogénéité de la solution de PAM est exactement proportionnelle à l'homogénéité saline de la solution. L'eau de dilution et la solution concentrée de PAM ont été ajustées à des salinités différentes et donc des conductivités différentes. Le mélange de ces deux solutions aboutit à un mélange d'une salinité propre et donc 20 d'une conductivité propre. L'homogénéité de la solution est définie par l'écart type sur la mesure de conductivité en continue de la solution diluée de PAM. 2.1.2 Description mesure conductimétrique / Ecart type Il a donc été retenu de mesurer en continu la conductivité de la solution diluée et d'en évaluer l'écart type. Plus 25 l'écart type tend vers 0 plus la solution diluée est homogène. Description l'équipement de mesure : - Sonde de type Yokogawa ISC40, mesure entre 0,51.15 et 2 5/cm. - Interface homme -machine : OEXAxt ISC450 2.2 Champs d'application 30 2.2.1 Unités mobiles de dissolution 2.2.1.1 Application pétrole : en mer/ à terre (Offshore/onshore) 2.2.1.1.1 Avantages au niveau du modèle (design) des installations Dans le cadre d'application de récupération assistée du pétrole en mer (EOR offshore), l'obtention de la concentration homogène de la solution diluée de polymère doit s'effectuer, à partir du polymère solide sous forme de poudre, en un lapse de temps le plus court possible et une emprunte au sol réduite, afin de : - Réduire le temps de dilution de la solution concentrée de polymère - Réduire la taille des équipements de dilution - Réduire la distance aux points d'injection 3063230 5 Par ailleurs, cette solution de PAM diluée peut être répartie sur différentes zones d'injection. La concentration de la solution de polymère doit être parfaitement identique et donc la solution parfaitement homogène dès la sortie de l'unité de dilution afin de l'être dans le réseau de distribution. 2.2.1.1.2 Avantages au niveau assurance et contrôle qualité (QA/QC) 5 Les exigences en terme de qualité des solutions de polymère injectées, portent sur : - la précision de la concentration injectée - la filtrabilité de la solution injectée - l'homogénéité de la solution injectée Rendre disponible cette homogénéisation dès l'issue de l'unité de dilution permet à la fois : 10 - de contrôler qualitativement cette solution sur l'unité de dilution. - de répondre positivement à ces exigences. 2.2.1.2 Applications traitement des eaux et minières Dans les cas d'application de traitement des eaux municipales, industrielles et minières, les mêmes contraintes d'homogénéité s'appliquent à cette solution diluée de PAM, auxquelles doit s'ajouter les contraintes suivantes : 15 - Des viscosités de solution concentrées élevées, l'eau de dilution étant la plupart du temps non saline. - Des contraintes de robustesse importantes. 3 Description de l'innovation : équipement d'injection 3.1 Schéma (Flowsheet) - La figure 5 montre le schéma (flowsheet) de la dissolution / dilution du PAM, dans lequel s'inscrit la partie 20 dilution. - Le schéma de dilution dans lequel s'inscrit la nouvelle canne d'injection est illustré par la figure 6 3063230 6 La figure 6 illustre le schéma (Flowsheet) de l'unité de dilution de la solution de PAM concentrée, positionnement de la nouvelle canne d'injection. 5 3.2 Montage type L'équipement d'injection a pour objectif d'intimement mettre en contact l'eau de dilution avec la solution de polymère concentrée. Il est suivi par une étape de mélange statique en ligne ayant comme caractéristiques principales : un temps de résidence accru et une finalisation de la dispersion sans cisaillement. 3.2.1 Elements dimensionnant de l'équipement d'injection 10 L'équipement d'injection est constitué : Item Description Caractéristiques A Canne d'introduction de l'eau de dilution Pression Différentielle (DP) induit par la canne : de 0,2 à 5 barg Vélocité : de 2 à 10 m/s Tube interne inox perforé Perforations : de 0,5 à 5 mm de diamètre B Piquages d'introduction de solution de polymère concentrée Nombre de piquages : de 1 à 8 Vélocité : de 1 à 4 fois la vélocité dans la chambre de mélange Introductions tangentielles réparties radialement C Chambre de mélange Vélocité : de 1 à 5 m/s Chambre d'injection dans l'espace annulaire 3.2.2 Schéma type de l'équipement d'injection type La figure 7 illustre le schéma de montage type de la canne et la chambre d'injection. 15 3063230 7 3.3 Canne perforée seule La canne perforée a les caractéristiques suivantes : - Canne : tube, obturée en son extrémité, - Diamètre de la canne dimensionné afin de respecter une vélocité de 1 à 5 m/s dans l'espace annulaire de 5 la chambre d'injection, - Perforations sur toute la surface cylindrique, - Diamètre de perçage des perforations :de 0,5 à 1,5 mm, - Perforations circulaires à 60°ou 90°, - Pas de perforations : de 5 à 25 mm. 10 3.4 Canne perforée avec remplissage (packing) Pour des caractéristiques définies de la canne d'injection (§ 5.2), l'espace annulaire entre la canne perforée peut être rempli avec soit : 3.4.1 Remplissage billes (Packing billes) Ce remplissage (packing) de billes remplit de 20 à 80 % l'espace annulaire de la chambre d'injection (espace entre 15 le carter et la canne d'injection) Ces billes ont les caractéristiques suivantes : - Diamètre de : 2 à 6 mm, - Densité de : 0,9 à 1,4, - Matériau : compatibilité avec la solution. 20 La figure 8 illustre le schéma de montage type de la canne et la chambre d'injection, avec packing de billes dans l'espace annulaire. 3.4.2 Remplissage spires (Packing spires) Une spire inox est insérée dans l'espace annulaire entre 80 et 150 % de la longueur de la canne d'injection. 25 La spire a les caractéristiques : Item Caractéristique Valeurs A Pas de la spire Entre 20 et 50 mm B Diamètre interne Ajusté au diamètre externe de la canne d'injection C Diamètre externe Ajusté au diamètre interne de la chambre d'injection Profil de la spire Circulaire 3063230 8 La figure 9 illustre le schéma de la spire s'insérant entre la canne et la chambre d'injection. 5 La figure 10 illustre le schéma de montage type de la canne et la chambre d'injection, avec remplissage (packing) de spires dans l'espace annulaire REVENDICATIONS1/ Unité de dilution d'une solution concentrée de polymère type PAM comprenant un équipement d'injection suivi d'un mélangeur statique. 2/ Unité selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'équipement d'injection comprend une canne d'introduction d'eau de dilution, des piquages d'introduction de solution de polymère concentrée, une chambre de mélange. 3/ Unité selon la revendication 2, caractérisée en ce que la chambre de mélange est une chambre d'injection présentant un espace annulaire. 4/ Unité selon la revendication 2, caractérisée en ce que la canne d'introduction d'eau de dilution présente des perforations sur toute la surface cylindrique. 5/ Unité selon la revendication 4, caractérisée en ce que les perforations présentent un diamètre de perçage compris entre 0,5 à 1,5 mm. 6/ Unité selon l'une des revendications 4 ou 5, caractérisée en ce que les perforations sont circulaires à 60°ou 90°. 7/ Unité selon l'une des revendications 2 à 6, caractérisée en ce que l'espace annulaire entre la canne perforée est remplie avec des billes occupant de 20 à 80% dudit espace annulaire. 8/ Unité selon l'une des revendications 2 à 6, caractérisée en ce qu'une spire inox est insérée dans l'espace annulaire entre la canne perforée et représente entre 80 et 150 % de la longueur de la canne d'injection.