PICH, Emmanuel (19 Lotissement Les Jonquilles, La Talaudiere, F-42350, FR)
JERONIMO, Philippe (Chemin de Letra, Montrond Les Bains, F-42210, FR)
PICH, Emmanuel (19 Lotissement Les Jonquilles, La Talaudiere, F-42350, FR)
| REVENDICATIONS 1/ Dispositif pour la mise en dispersion d'un polymère hydrosoluble de granulométrie standard inférieure à 1 mm comprenant : - un cône de mouillage dans lequel est dosé le polymère, ledit cône étant connecté à un circuit d'arrivée d'eau primaire, - à l'extrémité inférieure du cône : o une chambre de broyage et d'évacuation du polymère dispersé comprenant : ■ un rotor entraîné par un moteur et muni de couteaux éventuellement inclinés par rapport au rayon du rotor, ■ un stator fixe, o sur toute ou partie de la périphérie de la chambre, une couronne alimentée par un circuit d'eau secondaire, la couronne communiquant avec la chambre de telle sorte à assurer la pulvérisation d'eau sous pression sur le stator. caractérisé en ce que les couteaux du rotor au moins en partie, et le stator sont réalisés en un acier inoxydable choisi parmi les aciers austéno-ferritique ou austénitique traité par nitruration sous vide ou par diffusion de carbone et en ce que le stator se présente sous la forme d'un cylindre dans la paroi duquel sont découpées des fentes verticales réalisées sur partie de la hauteur de ladite paroi, les fentes du stator présentant une largeur comprise entre 150 et 700 microns. 21 Dispositif selon la revendication 1 , caractérisé en ce que la découpe du stator est réalisée par découpe à jet d'eau à très haute pression contenant un abrasif, à une pression comprise entre 2000 et 5000 bars, de préférence entre 3000 et 4000 bars. 3/ Dispositif selon la revendication 1 , caractérisé en ce que l'acier inoxydable austéno- ferritique contient environ 22% en poids de Cr et environ 5% en poids de Ni. 4/ Dispositif selon la revendication 1 , caractérisé en ce que l'acier inoxydable austéno- ferritique a l'une des deux compositions suivantes : % C %Cr %Mo %Ni %N %W %Cu UNS S32750 Max 0,03 24-26 3,0-5,0 6,0-8,0 0,24 - 0,32 0,5 UNS S32760 Max 0,03 24-26 3,0-4,0 6,0-8,0 0,20 - 0,30 0,5 - 0,1 0,5 - 0,1 5/ Dispositif selon la revendication 1 , caractérisé en ce que les couteaux du rotor et le stator sont en outre traités par diffusion de carbone à partir de la surface vers le cœur du matériau. 6/ Dispositif selon la revendication 1 , caractérisé en ce que le rotor est constitué d'un support à la surface duquel les couteaux sont formés par fraisage, le tout étant réalisé en ledit acier inoxydable. 7/ Dispositif selon la revendication 1 , caractérisé en ce que le rotor est constitué d'un support usiné réalisé en acier austéno-ferritique ou austénitique traité par nitruration sous vide ou par diffusion de carbone sur lequel sont rapportées des plaquettes réalisées en carbure de tungstène ou en acier inoxydable durci par traitement thermique. 8/ Dispositif selon la revendication 1 , caractérisé en ce que les fentes du stator sont espacées régulièrement les unes des autres d'une distance comprise entre 10 et 50 mm. 91 Dispositif selon la revendication 1 , caractérisé en ce que la distance séparant les couteaux du rotor des fentes du stator est comprise entre 50 et 300 microns, de préférence entre 100 et 200 microns, en pratique de l'ordre de 100 microns. |
Les polyacrylamides ont été développés depuis plus de 60 ans spécialement pour des opérations de floculation. Cependant depuis le choc pétrolier de 1973, il a été reconnu que les polyacrylamides avaient un pouvoir viscosifiant très important permettant leur utilisation dans la Récupération Assistée du Pétrole seuls ou en conjonction avec des tensio-actifs et des alcalis. On a également constaté que les polyacrylamides avaient le pouvoir de réduire le frottement de l'eau ou de solution aqueuse. Cette caractéristique permet de pomper, par addition de faible quantité (30 à 500 ppm) de polymère, des volumes supérieurs d'eau dans les mêmes équipements ou de réduire la puissance absorbée pour le pompage de mêmes quantités.
La réduction de frottement a été découverte par B.A.Toms en 1946 (« Toms' effect ») et ses applications se sont développées dans le domaine du transport de l'eau ou de suspensions aqueuses (mélange eau-pétrole), dans les opérations de fracturation, et divers procédés en contact avec l'eau à fortes puissances absorbées (torpilles, lutte contre l'incendie, découpe jet d'eau...)
DISSOLUTION DES POLYACRYLAMIDES
Bien qu'il soit possible d'utiliser des polyacrylamides en poudre pour les opérations de réduction de frottement, la dissolution est relativement difficile. Pour les poudres standards ayant une granulométrie inférieure à 1 mm le temps de dissolution est d'environ une heure à une concentration de 5 gr/litre. Il serait donc nécessaire pour des utilisations importantes de disposer de matériels de grandes tailles nécessitant à la fois :
Un investissement important,
- Un temps de mise en service long,
Une surface au sol incompatible avec le déplacement des matériels.
Cette nécessité de disposer d'une solution pratiquement instantanée (inférieur à 2 minutes par ex.) a conduit les utilisateurs à se tourner vers l'utilisation de polyacrylamides en émulsion qui peuvent se dissoudre, dans des conditions appropriées en moins de 2 minutes (voir demande de brevet FR 0955555). Cependant la demande écologique, en particulier dans les opérations de fracturation hydraulique, amène à remplacer les émulsions contenant des hydrocarbures et des tensio-actifs par des polymères en poudre ne contenant pas de tels constituants.
Le document PCT/EP2009/063961 du Demandeur décrit un procédé de fracturation hydraulique mettant en oeuvre un matériel de dissolution rapide de polymère poudre hydrosoluble dénommé « PSU », le matériel étant décrit dans le document WO 2008/107492 également du Demandeur.
En broyant le polyacrylamide dans un tel PSU, il est possible de réduire le temps de dissolutions à 15 minutes environ, à des concentrations de 10 à 20 gr/litre. En outre le coté compact de l'installation permet sa mise en œuvre sur des châssis de camions mobiles.
PSU (Polymer Slicing Unit) Le PSU décrit dans le brevet WO 2008/107492 est un matériel industriel tournant à une vitesse industrielle faible (3000 à 4500 t/minute) présentant donc une longévité importante spécialement dans les opérations pétrolières ou de fracturation.
La fiabilité du matériel est un point très important. Par exemple l'arrêt de l'introduction de polymères dans une opération de fracturation peut conduire au bouchage du puits de production de gaz par décantation du sable utilisé.
Le PSU comprend essentiellement :
- un cône de mouillage du polymère poudre, connecté à un circuit d'arrivée d'eau primaire,
- une chambre de broyage du polymère dispersé, comprenant un rotor associé à un stator,
- à la périphérie de la chambre, une couronne alimentée par un circuit d'eau secondaire assurant la pulvérisation d'eau sous pression et le décolmatage des lames du stator.
Le stator est composé de plaquettes ou de lames individualisées en carbure de tungstène assemblées par l'intermédiaire d'entretoises sur une couronne périphérique. Les documents US 6,000,840, US 5,156,344 et FR 2777804 Al décrivent tous un stator de forme cylindrique présentant des fentes verticales. Dans US 5,156,344, le stator est entouré d'une couronne comprenant le même nombre de fentes que le stator et dont la dimension est identique à celles du stator. La position de cette couronne peut être ajustée de manière à ce que les fentes du stator puissent être totalement ouverte ou totalement fermée. La taille des fentes des stators en acier inoxydable décrits dans ces documents n'est pas précisée. Le rotor comprend des plaquettes en carbure de tungstène boulonnées ou brasées pour diminuer l'usure au cours de ces opérations.
Bien que ce système soit mécaniquement performant, il a deux limites :
- il est difficile d'approcher les plaquettes du stator à moins de 500 microns les unes des autres car les entretoises de très faible épaisseur n'ont pas la résistance mécanique nécessaire,
le liant (cobalt ou nickel) n'a pas une tenue à la corrosion suffisante en particulier dans l'industrie pétrolière où les saumures pompées contiennent de très importantes quantités de sels (jusqu'à 200 000 ppm) et d'hydrogène sulfuré.
Le problème que se propose de résoudre l'invention est donc celui d'améliorer la construction du PSU en permettant :
un broyage plus fin avec une utilisation pratiquement instantanée de la solution de polymère à l'instar de celle obtenue avec des émulsions,
- une tenue à la corrosion supérieure,
tout en maintenant la durée de vie du stator et du rotor,
- l'utilisation du matériel pour de nombreux polymères tels que polyacrylamide, polyéthylène oxyde de haut poids moléculaire, gomme xanthane ou sclerogucan, gomme guar, ...
Le Demandeur a constaté que ces 4 objectifs étaient remplis grâce à la mise en œuvre, pour la fabrication du rotor et du stator, d'aciers inoxydables, en particulier d'aciers austéno-ferritiques dits « superduplex » ou d'aciers austénitiques durcis en surface (nitruration sous vide, kolsterisation) présentant une résistance mécanique élevée ainsi qu'une forte tenue à la corrosion en combinaison avec la mise en œuvre, au niveau du stator, non plus de lames individualisées mais de fentes réalisées directement sur une couronne. En d'autres termes, l'invention a pour objet un dispositif pour la mise en dispersion d'un polymère hydrosoluble de granulométrie standard inférieure à 1 mm comprenant :
- un cône de mouillage dans lequel est dosé le polymère, ledit cône étant connecté à un circuit d'arrivée d'eau primaire,
- à l'extrémité inférieure du cône :
o une chambre de broyage et d'évacuation du polymère dispersé comprenant :
■ un rotor entraîné par un moteur et muni de couteaux éventuellement inclinés par rapport au rayon du rotor,
■ un stator,
o sur toute ou partie de la périphérie de la chambre, une couronne alimentée par un circuit d'eau secondaire, la couronne communiquant avec la chambre de telle sorte à assurer la pulvérisation d'eau sous pression sur le stator.
Le dispositif se caractérise en ce que les couteaux du rotor au moins en partie, et le stator sont réalisés en acier inoxydable choisi parmi les aciers austéno-ferritique ou austénitiques traité par nitruration sous vide ou par diffusion de carbone et en ce que le stator se présente sous la forme d'un cylindre dans la paroi duquel son agencées des fentes verticales réalisées sur partie de la hauteur de ladite paroi, les fentes ayant une largeur minimum de 150 micromètres, avantageusement comprise entre 150 et 700 microns.
Dans un mode de réalisation préféré, les fentes ont une hauteur comprise entre 10 et 50 mm et sont localisées à égale distance des bords supérieur et inférieur du cylindre. Dans le cas de grande hauteur de fentes, celles-ci seront découpées en 2, 3 ou 4 parties.
Selon une autre caractéristique, les fentes sont espacées régulièrement les unes des autres d'une distance comprise entre 10 et 50 mm. Dans un mode de réalisation particulier, les parois internes des fentes sont inclinées de manière à créer des arêtes tranchantes sur chaque fente.
Selon l'invention, les rotor et stator peuvent être réalisés en différents matériaux. Dans un premier mode de réalisation, ils sont réalisés en acier inoxydable austénitiques 304L ou 316L nitrurés sous vide mais avec des performances et des longévités inférieures aux aciers austéno-ferritiques. Dans un mode de réalisation préféré, ils sont réalisés en acier austéno-ferritique contenant au moins 20%, en poids de Cr et au moins 5% en poids de Ni.
Parmi les aciers austéno-ferritiques, on distingue les aciers dits « duplex » contenant environ 22% en poids de Cr et environ 5% en poids de Ni et les aciers dits « superduplex » contenant entre 24 et 26% en poids de Cr et de 6 à 8% en poids de Ni.
Selon un mode de réalisation perfectionné, les aciers austéno-ferritiques sont kolstérisés, c'est à dire traités par diffusion de carbone comme expliqué par la suite.
Avantageusement, l'acier austéno-ferritique choisi, a l'une des deux compositions suivantes :
Les propriétés mécaniques de ces aciers sont très supérieures aux aciers inoxydables type 304L ou 316 L et sont les suivantes :
Rp 0,2 (MPA) 0,2% Yield strength (MPA) min
Rm (MPA) Tensile strength (MPA) min
A3 elongation % min
Le carbure de tungstène a des caractéristiques mécaniques supérieures à celles des superduplex, mais celles des superduplex sont suffisamment élevées par rapport à la dureté du grain de polyacrylamide pour permettre une grande longévité des rotors et des stators.
De plus, après l'usinage, le super-duplex ou le duplex peut être traité pour augmenter la dureté superficielle par kolsterising sur une épaisseur de 20 à 30 microns sans dégrader la résistance à la corrosion et sans modification de la géométrie des pièces et atteindre des Rm supérieurs à 1000. Le traitement de Kolstérisation ® est un procédé de modification superficielle de la structure des aciers inoxydables. Il consiste en une diffusion d'une grande quantité de carbone à partir de la surface vers le cœur du matériau, sans aucune addition d'éléments extérieurs et sans fabrication de carbure de chrome. Ce traitement est réalisé en phase gazeuse et à basse température et permet de traiter n'importe quelle forme y compris des fentes telles que celles des PSU. Ce traitement est efficace jusqu'à des températures de 300 °C et des pH supérieur à 2. Ce procédé permet la tenue à la fatigue et la résistance à la corrosion, la suppression du grippage, des duretés très élevées tout en maintenant l'amagnétisme.
Il est bien clair que le super-duplex est le matériau le plus résistant cependant il est possible, comme déjà dit, d'utiliser des aciers type Duplex à 20% de Chrome ou des inox standard 304 Lou 316 L nitrurés sous vide mais avec des performances et des longévités inférieures.
Comme déjà dit, la construction du PSU est difficile avec des intervalles de plaquettes inférieurs à 500 microns, il était nécessaire d'utiliser une autre technologie pour le broyage très fin du polymère. Pour le stator, il a été choisi d'utiliser une couronne ou cylindre de même diamètre intérieur que le PSU sur laquelle des fentes sont découpées avec une découpe à jet d'eau de dernière génération apte à former des fentes d'une largeur minimum de 150 microns avec un jet unitaire et de toute autre largeur par un jet à deux passes. Ce stator doit avoir une rigidité importante et son épaisseur est avantageusement d'au moins 10 mm jusqu'à 20 mm de manière à ne pas perdre la précision de la découpe. Il est de plus possible avec des matériels à jet d'eau de haute précision d'effectuer des découpes coniques permettant une meilleure éjection du polymère broyé.
En pratique, la découpe est réalisée avec une machine de découpe à jet d'eau à très haute pression contenant un abrasif, à une pression entre 2000 et 5000 bars, de préférence entre 3000 et 4000 bars.
Une épaisseur inférieure est évidemment possible mais amène des déformations et des ruptures à moyen terme, en particulier en fonction de l'érosion inévitable due au broyage du polymère. La découpe peut se faire aussi au laser mais sur de faibles épaisseurs, cependant l'effet thermique crée des déformations permanentes et des aspérités sur les fentes ainsi découpées obligeant à un remplissage de la pièce après la découpe. Le nombre de fentes du stator est variable en fonction du diamètre de celui-ci. En pratique, il est de 50 à 300.
Selon une caractéristique essentielle de l'invention, les couteaux du rotor sont au moins en partie réalisés en acier inoxydable austéno-ferritique ou austénitiques traité sous vide ou kolstérisés.
Dans un premier mode de réalisation, le rotor est constitué d'un support à la surface duquel les couteaux sont formés par fraisage. Dans ce cas, le rotor est réalisé dans sa totalité dans l'un des matériaux précités.
Dans un second mode de réalisation, le rotor est constitué d'un support usiné réalisé en un des matériaux précédemment décrits sur lequel sont rapportées des plaquettes réalisées en carbure de tungstène ou en inox durci par traitement thermique. Dans les deux cas, une maintenance peut être faite pour récupérer les distances rotor- stator en usinant l'intérieur du stator à un diamètre plus important. En ce qui concerne le rotor il est possible de :
* Soit changer les plaquettes pour adapter au nouveau diamètre,
* Soit charger à la soudure le rotor massif que l'on tourne ensuite pour donner le diamètre de coupe nécessaire.
Le rotor est équipé de 2 à 20 couteaux, avantageusement entre 4 et 12. Néanmoins, en fonction du diamètre du rotor, le nombre de couteaux pourra varier. A titre d'exemple, il est de 9 pour un diamètre du rotor de 200 mm.
Par ailleurs et selon une autre caractéristique, les couteaux sont éventuellement plus ou moins inclinés par rapport au rayon du rotor. Avantageusement, cette inclinaison est comprise entre 1 et 15°, de préférence entre 2 et 10°. Pour permettre un broyage efficace, la distance séparant les couteaux du rotor des lames du stator est comprise entre 50 et 300 microns, de préférence entre 100 et 200 microns, en pratique de l'ordre de 100 microns. Evidemment, la diminution de la largeur des fentes diminue le débit de poudre et d'eau de chaque appareil que l'on peut restituer en partie en augmentant la vitesse du rotor jusqu'à la limite industrielle de 4500 tours minute. Comme déjà mentionné, la configuration du stator permet de broyer plus finement le polymère par rapport au dispositif décrit dans le document WO 2008/107492 dans lequel l'espace entre chaque lame individualisée ne pouvait être, dans la pratique, inférieur à 500 micromètre sans une réduction très importante de longévité de l'appareil. En d'autres termes, l'invention a également pour objet l'utilisation du dispositif de dissolution de l'invention dans une installation pour la mise en œuvre d'un procédé de fracturation hydraulique de puits de pétrole ou de gaz, de Récupération Assistée du Pétrole, floculation, préparation de solutions cosmétiques ou de produits ménagers. Il permet de plus de réduire d'une manière très significative le nombre de pièces à usiner et la complexité du montage.
Pour tous ces procédés, même si la dissolution n'est pas complète à l'injection, celle-ci peut se faire dans les quelques dizaines de secondes après l'injection soit dans la canalisation directement, soit dans le mélange à traiter.
L'invention et les avantages qui en découlent ressortiront bien de l'exemple de réalisation suivant à l'appui des figures annexées.
La figure 1 est une vue schématique latérale du dispositif de l'invention.
La figure 2 est une vue en section selon la ligne AA'.
La figure 3.1 est une représentation du rotor du dispositif de l'invention conforme à un premier mode de réalisation
La figure 3.2 est une représentation du rotor du dispositif de l'invention conforme à un second mode de réalisation
La figure 4 est une représentation du stator du dispositif décrit dans le document WO 2008/107492
La figure 5 est une représentation du stator selon le dispositif de l'invention Conformément à la figure 1, le dispositif de l'invention comprend :
- un cône de mouillage (1) connecté à son sommet à une colonne (2) dosant le polymère de granulométrie standard, le plus souvent par l'intermédiaire d'une vis doseuse, le cône (1) étant connecté dans sa partie inférieure à un circuit d'arrivée d'eau primaire (3) lequel alimente une surverse (4),
- à l'extrémité inférieure du cône, un ensemble (5) comprenant :
o une chambre de broyage et d'évacuation (6) (figure 2) du polymère dispersé comprenant :
■ un rotor (7) entraîné par un moteur (8) muni de couteaux (9),
■ un stator (10),
o sur toute ou partie de la périphérie de la chambre, une couronne (11) alimentée par un circuit d'eau secondaire (12), la couronne (11) communiquant avec la chambre (6) par le biais de fentes (13) assurant la pulvérisation d'eau sous pression sur le stator (10).
Sur la figure 3.1, on a représenté le rotor du dispositif de l'invention. La figure 3.1 a est une vue éclatée du rotor défini par la référence générale (7), tandis que la figure 3.1 b est une représentation de la pièce finie.
Le rotor comprend un disque support (14) composite résistant à la corrosion sur lequel sont fraisés 9 couteaux inclinés (15) en super-duplex de composition suivante :
Les couteaux (15) sont protégés par une bague (16) rapportée au niveau de leur partie supérieure.
Sur les figure 3.2 (a) et 3.2 (b), on a représenté une variante de construction du rotor. Il comprend alors un support rotatif usiné (14) an acier inoxydable (superduplex, 304, 316) sur lequel sont fixées des plaquettes (15-1) en carbure de tungstène ou en inox durci par traitement thermique. Sur la figure 4, on a représenté le stator tel qu'il est mis en œuvre dans les PSU décrit dans le document WO 2008/107492, aujourd'hui sur le marché. Comme le montre la figure 4a, le stator (17) est muni, outre les joints (18) d'essentiellement 4 éléments respectivement :
- une bague inférieure (19),
- une bague supérieure (20),
- un anneau central (21) évidé soutenant les plaquettes (22),
- le stator en tant que tel (23) constitué de lames individualisées (24) en carbure de tungstène, séparées par des entretoises, fraisées sur la pièce (18) et non représentées.
Les bagues (19) et (20) sont associées entre elles permettant, en combinaison avec la pièce (21) de maintenir en position les lames (24). Sur la figure 5, on a représenté le stator conforme à celui de l'invention. Ce stator, désigné par la référence générale (26), est constitué d'une seule pièce d'épaisseur égale à 10 mm pourvu de fentes (29) réalisées avec un jet d'eau unitaire à très forte pression (3000 à 4000 bars). La largeur de chacune des fentes est de 200 microns. Comme le montre la figure, les fentes sont réparties à égale distance des bords supérieurs et inférieurs du cylindre (28). La distance séparant chaque fente est de 300 microns.
La pièce (28) est réalisée conformément à l'invention en super-duplex de composition suivante : L'ensemble des caractéristiques dimensionnelles du rotor et du stator du PSU selon l'art antérieur et du PSU de l'invention, de même que les caractéristiques de fonctionnement permettant la dissolution du polymère figurent dans le tableau suivant : PSU 300 PSU 300
selon le document selon l'invention
WO2008/107492
Diamètre de coupe (mm) 200 200
Nombre de lames fixes (stator) 90
Hauteur des lames fixes (mm) (stator) 16,6
Espace entre les lames (microns) (stator) 500
Nombre de fentes 110
Hauteur des fentes (mm) 16,6
Largeur des fentes (micron) 200
Nombre de couteaux mobiles (rotor) 9 9
Puissance moteur (KW) 7,5 7,5
Vitesse rotor (t/min) 3000 4500
Débit maximum d'eau primaire (nrVh) 20 15
Débit maximum de poudre à 10 s f (kg) 650 470
Débit d'eau secondaire (m 3 /h) 20 20
Débit industriel de l'installation
Eau primaire (m 3 /h) 10 10
Eau secondaire (m 3 /h) 20 20
Poudre (kg/h) 300 300
Concentration de dissolution (g/1) 10 10
Temps de dissolution à 40°C/Minute 10 1
Tableau 1
Il est donc possible accessoirement avec un tel matériel de supprimer les cuves de dissolution nécessaires normalement pour la dissolution de polyacrylamides en poudre et injecter directement le polymère.
En particulier, dans les opérations de fracturation, les polymères sont mélangés dans une cuve agitée (blender) avec un temps de séjour de 1 à 2 minutes, repris par une pompe centrifuge pour alimenter la pompe Triplex qui injecte le mélange de fracturation. Les temps de mélange sont suffisants pour permettre une telle opération en ligne.
La taille des appareils utilisant cette technologie peut être modulaire (100, 300, 600, 1200 kg/heure).
Ce type de matériel peut évidemment être utilisé :
- Pour des polymères de compositions différentes comme les polyéthylènes oxydes de haut poids moléculaire, les gommes xanthane ou sclerogucan, les gommes guar,...
- Pour des applications autres comme la floculation avec dissolution en ligne, la Récupération Assistée du Pétrole, la confection de solutions cosmétiques ou de produits ménagers.
- Avec des poudres de diverses granulométries évitant la formation de gels (fïsh eyes) à la dispersion,