Note: Descriptions are shown in the official language in which they were submitted.
2 1 &222~
La présente invention concerne un procédé et un système
permettant d'éviter la formation d'hydrates au sein d'un fluide comportant
au moins une phase gazeuse et une phase aqueuse pendant son transfert
d'un endroit à un autre, dans des conditions susceptibles de varier et de
conduire à la formation d'hydrates.
La présente invention trouve avantageusement son application pour
éviter la formation d'hydrates d'hydrocarbures légers, tels les hydrates de
gaz naturel, de gaz de pétrole ou d'autres gaz à l'intérieur d'un fluide.
Ces hydrates peuvent se former lorsque l'eau se trouve en présence
10 d'hydrocarbures légers, qui se présentent soit en phase gazeuse, soit à
l'état dissous dans une phase liquide, telle qu'un hydrocarbure liquide, et
notamment lorsque la température atteinte par le mélange, devient
inférieure à une température critique (température thermodynamique de
formation des hydrates), dépendant de la composition des gaz et de la
pression. Ces derniers sont des composés d'inclusion qui résultent de ce
que les molécules d'eau s'assemblent pour former des cages dans
lesquelles sont enfermées des molécules d'hydrocarbures légers, par
exemple le méthane, I'éthane, le propane, l'isobutane~ Certains gaz acides
présents dans le gaz naturel, tels que le dioxyde de carbone ou l'hydrogène
2 0 sulfuré, peuvent également former des hydrates en présence d'eau.
Il est rappelé que pour un fluide polyphasique comportant une
phase aqueuse et une phase gazeuse, lorsque la température et la pression
varient, il est possible de déterminer un domaine de formation des
hydrates qui dépend de la composition du fluide, et qui, pour une
composition donnée est limité par une courbe pression, température.
Pour diminuer le coût de production du pétrole brut et pu gaz, tant
au point de vue des investissements qu'au point de vue de l'exploitation,
une voie envisagée, par exemple dans le cas de la production en mer,
consiste à réduire, voire à supprimer, les traitements appliqués au brut ou
3 0 au gaz à transporter, du gisement à la côte et~ notamment à laisser toute
ou une partie de l'eau dans le fluide à transporter. Les effluents pétroliers
sont ainsi transférés sous forme d'un écoulement polyphasique à l'aide
d'une conduite jusqu'à une plate-forme de traitement. Cette manière de
procéder est particulièrement avantageuse lorsque la production en mer
se situe dans une zone difficile d'accès. Néanmoins, elle présente un
inconvénient notable du fait des risques de formation d'hydrates dus à la
présence d'eau, et aux conditions fixées notamment par l'environnement
extérieur.
En effet, les effluents pétroliers comprenant une phase gazeuse et
4 0 une phase liquide peuvent être constitués, par exemple, par un gaz à
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c~ndensat ou par un gaz associé, en mélange avec du pétrole brut. Ils sont
g~énéralement saturés en eau et peuvent même dans certains cas contenir
de l'eau libre.
Lorsque les effluents de production d'un gisement sous-marin de gaz
naturel ou, de pétrole et de gaz comportant de l'eau sont transportés au
fond de la mer, où règne souvent une température assez basse de l'ordre
de quelques degrés, leur température évolue dans ce cas tout le long de la
conduite et peut atteindre des valeurs relativement basses où les
conditions pour lesquelles des hydrates peuvent se former sont réunies.
Ces hydrates provoquent le remplissage et le blocage des conduites
de transport qui empêchent à la longue tout passage de pétrole brut ou de
gaz entraînant des conséquences extrêmement, pénalisantes : un arrêt de la
production souvent assez long, car la décomposition des hydrates formé
est très difficile, et donc entraîne des pertes financières importantes.
D'autres paramètres peuvent aussi induire la formation des hydrates
lorsque les conditions thermodynamiques sont réunies, par exemple des
changements de forme de la conduite, tels des coudes, des variations de
vitesse de l'écoulement ainsi que des phénomènes de turbulence dans
l'écoulement.
2 0 Les conditions de formation des hydrates peuvent aussi survenir lors
d'un arrêt de production ou lors de variations de débit imposées par
l'exploitation .
Avantageusement, la présente invention pallie les conséquences
éventuelles résultant de variations de débit de l'effluent imposées par
l'exploitant dans la majorité des applications de production et de transport
pétroliér.
Ces variations de débit peuvent se traduire par des modifications
importantes des profils de pression et de température le long de la
conduite qui peuvent placer certaines zones de la conduite dans des
3 0 conditions défavorables correspondant à des domaines de formation des
hydrates .
La présente invention permet dans ce cas de tenir compte des
modifications de profil de pression et de température liées à la variation
du débit pour contrôler les conditions régnant tout le long de la conduite
en ramenant et/ou en conservant le fluide hors du domaine de formation
des hydrates.
Il en est de même lorsque l'on considère le cas du gaz naturel qui
dans certaines conditions est susceptible de former des hydrates.
Des conditions favorables à la formation d'hydrates peuvent aussi
4 0 être réunies de la même façon à terre pour des conduites peu enfouies
2 1 822~
~a`ns le sol terrestre, lorsque par exemple la température de l'air ambiant
est assez basse, notamment dans des zones septentrionales telles les zones
arctiques .
Pour éviter ces inconvénients, différentes méthodes sont décrites
dans l'art antérieur.
Un traitement visant à éliminer l'eau peut être effectué sur une
plate-forme située en surface à proximité du gisement, de manière que
l'effluent, initialement chaud, puisse être traité avant que les conditions de
formation des hydrates ne soient atteintes du fait du refroidissement de
l O l'effluent avec l'eau de mer. Cette solution impose néanmoins l'obligation
de remonter l'effluent vers la surface avant son transfert vers une plate-
forme principale de traitement et de disposer d'une plate-forme
intermédiaire de traitement.
Une autre manière de procéder consiste à munir la conduite de
moyens d'isolation ou de l'équiper de moyens de chauffage, tel que décrit
dans le brevet US 5.241.147, pour éviter un refroidissement trop rapide
des fluides transportés. De tels dispositifs sont néanmoins coûteux,
d'autant plus qu'ils doivent être en général prévus en fonction des cas les
plus pénalisants rencontrés.
2 0 D'autres méthodes font appel à des rayonnements. Ainsi, le brevet
HU 186511 enseigne que l'on peut envoyer une onde électromagnétique
dont les valeurs de fréquence et les modes de propagation sont choisis
pour faire fondre les hydrates formés.
Le brevet SU 442287, enseigne d'utiliser une onde ultrasonore pour
briser les cristaux d'hydrates et libérer le gaz piégé.
Il est aussi~ connu d'ajouter en permanence des additifs permettant
d'inhiber la formation des hydrates ou de les réduire sous forme
dispersée. Une telle technique est coûteuse, et souvent néfaste à
l'environnement.
3 0 La présente invention pallie les inconvénients de l'art antérieur et
permet de produire et transporter à moindre coût les effluents
polyphasiques, dans des conditions thermodynamiques, not~mment de
pression et de température, susceptibles de varier tout en préservant
- I'environnement.
La présente invention concerne un procédé pour produire un fluide
polyphasique et/ou transporter dans une conduite à partir d'un endroit,
par exemple un gisement, vers un lieu de destination, un fluide
polyphasique comportant au moins une phase gazeuse et de l'eau, ledit
4 0 fluide étant susceptible de former des hydrates dans des conditions
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-
~hèrmodynamiques données. Il est caractérisé en ce qu'il comporte au
, moins les étapes suivantes:
a) on détermine au moins une relation entre au moins un premier et un
deuxième paramètre physiques influant sur la formation des hydrates, tels
la pression P, la température T et/ou un troisième paramètre lié à la
composition du fluide ou la composition du fluide, ladite relation
délimitant au moins un domaine de formation d'hydrates,
b) on mesure au moins un desdits paramètres physiques,
c) on fait varier au moins un desdits paramètres physiques pour ramener
et/ou conserver le fluide hors du domaine de formation des hydrates.
Selon un mode de réalisation, on fait varier, par exemple, le
paramètre physique mesuré au cours de l'étape b). En tenant compte par
exemple de la relation déterminée au cours de l'étape a) et/ou du domaine
de formation des hydrates, on peut avantageusement comparer la valeur
du paramètre physique mesuré au cours de l'étape b) à une valeur limite
correspondant par exemple à un seuil de formation des hydrates, et
réguler cette valeur pour la conserver en dessous de la valeur critique.
Une autre façon de procéder peut consister à faire varier un des
paramètres physiques non mesuré influant sur la formation des hydrates.
2 0 Selon un mode de réalisation on détermine par exemple un autre
paramètre et à partir de sa valeur et de celle du paramètre physique
obtenu au cours de l'étape b) on détermine les profils de température
et/ou de pression le long de la conduite et on fait varier au cours de
l'étape c) au moins un desdits paramètres pour ramener et/ou conserver
le fluide hors du domaine de formation des hydrates.
Le deuxième paramètre est par exemple le débit du fluide qui va
permettre de définir un profil de température et/ou un profil de pression
le long de la conduite.
On peut aussi déterminer l'évolution de la composition du fluide dans
le temps et corriger la relation établie au cours de l'étape a) liant la
pression et la température.
Avantageusement, on détermine et on régule la valeur de débit du
fluide dans la conduite au cours d'une étape distincte de l'étape c).
On peut mesurer la pression en au moins une zone de la conduite
comme paramètre physique au cours de l'étape b). En fonction du domaine
de formation des hydrates, de la température régnant dans la conduite~ le
dispositif de traitement peut ainsi déterminer pour chaque valeur de
température la valeur limite de pression et en maintenant la valeur de
pression mesurée en dessous de cette valeur limite, maintenir et/ou
4 0 ramener le fluide hors du domaine de formation des hydrates.
s 2 1 82222
On peut aussi mesurer comme paramètre physique au cours de
etape b) la température en au moins une zone de la conduite et faire
varier la température par exemple en appliquant de l'énergie thermique
au fluide.
On procède par exemple en régulant la puissance de chauffage d'un
dispositif associé.
On peut déterminer comme paramètre lié à la composition du fluide,
sa densité.
On peut aussi mesurer comme paramètre représentatif de la
10 composition du fluide une concentration en un produit inhibiteur présent
dans ledit fluide et faire varier la valeur de concentration en régulant la
quantité ou le débit d'injection d'inhibiteur dans le fluide.
Selon un autre mode de mise en oeuvre du procédé selon l'invention,
on détermine comme paramètre physique au cours de l'étape b) la
pression en au moins une zone de la conduite, on fait varier la valeur de
ladite pression pour ramener et/ou conserver le fluide hors du domaine de
formation des hydrates tant que la valeur de la pression est supérieure ou
égale à une valeur limite fixée, puis lorsque la pression est inférieure à
ladite valeur limite Pl on fait varier
2 0 - la température, et/ou
- la composition du fluide en ajoutant une certaine quantité d'inhibiteurs,
en maintenant et/ou en conservant le fluide hors du domaine de formation
des hydrates.
Le procédé selon l'invention est particulièrement bien utilisé lors
d'un arrêt de production. Dans ce cas on fait varier, par exemple, la valeur
du pararnètre physique déterminé au cours de l'étape b) pour ramener
et/ou conserver le fluide hors du domaine de formation des hydrates.
Le procédé selon l'invention s'applique avantageusement au
transport d'un effluent pétrolier polyphasique et/ou au transport du gaz
3 0 naturel.
La présente invention concerne aussi une installation ou système
permettant de transporter dans une conduite d'un endroit, par exemple un
gisement, vers un lieu de destination, un fluide polyphasique comportant
au moins une phase gazeuse et de l'eau, ledit fluide étant susceptible de
former des hydrates dans des conditions thermodynamiques données.
Il est caractérisé en ce qu'il comporte en combinaison:
- au moins un dispositif de mesure d'au moins un paramètre physique
représentatif de la température et/ou de la pression, et/ou d'un paramètre
lié à la composition du fluide ou de la composition du fluide, et
2 1 82222
- un dispositif de traitement et de commande permettant d'établir et/ou
~- de mémoriser une relation entre des paramètres physiques liés à la
formation des hydrates, tels la pression P, la température T et la
composition du fluide, délimitant des domaines de formation des hydrates,
et de déterminer une valeur limite pour au moins un desdits paramètres,
et capable de délivrer au moins un signal pour faire varier la valeur d'au
moins un desdits paramètres physiques pour ramener et/ou conserver le
fluide hors du domaine de formation des hydrates.
Avantageusement il peut comporter un moyen pour déterminer et
contrôler la valeur du débit du fluide dans la conduite.
Le ou les dispositifs de mesure d'au moins un paramètre physique
peuvent être situés, par exemple, à l'entrée de la conduite au voisinage du
~J,isement et/ou en sortie de la conduite à proximité de l'endroit de
destination .
Avantageusement le dispositif de traitement est adapté à déterminer
le profil de température régnant sur au moins une partie de la longueur de
la conduite et à en déduire par exemple la valeur de pression limite de
formation des hydrates sur au moins une partie de la longueur de la
conduite.
2 0 Le dispositif de traitement peut être capable de localiser et prévoir
les zones de formation des hydrates, le long de la conduite.
Le système peut aussi comporter un moyen annexe de prévention
des hydrates tels qu'un moyen d'injection d'un additif relié à une source
extérieure et/ou un dispositif de chauffage et/ou un moyen d'émission
d'ondes, chacun de ces dispositifs étant relié au dispositif de traitement et
de commande qùi déclenche leur mise en oeuvre par exemple à partir
d'une valeur seuil.
Le procédé et le système selon l'invention trouvent avantageusement
Ieur application dans le cadre du transport et/ou de la production d'un
3 0 effluent polyphasique de type pétrolier et/ou du gaz naturel.
La présente invention s'applique particulièrement bien dans le
domaine de la production de pétrole et/ou de gaz naturel à laquelle
s'applique des réglementations de plus en plus sévères, notamment en ce
qui concerne les rejets de produits polluants.
Ainsi, le système selon la présente invention offre notamment les
avantages suivants:
- il permet de prévoir et d'éviter la forniation d'hydrates, de manière
simple en contrôlant et en faisant varier au moins un paramètre influant
sur la formation des hydrates, tel que la pression, la température, la
4 0 composition et/ou un paramètre représentatif de la composition du
7 2 1 ~2222
~luide, pour conserver et/ou ramener le fluide hors du domaine de
formation des hydrates,
- il peut être utilisé associé à des moyens habituels évitant la formation
des hydrates tels que des additifs inhibiteurs, et/ou d'autres moyens de
traitement tels des rayonnements électromagnétiques ou des ondes
ultrasonores, et/ou un moyen de chauffage,
- il offre de plus la possibilité de contrôler et de régler la valeur de débit
du fluide de manière à satisfaire à la demande du producteur, ceci
indépendamment de la régulation du paramètre précité.
D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront
mieux à la lecture de la description donnée ci-après d'exemples de
réalisation, dans le cadre d'applications nullement limitatives, au transport
d'un fluide polyphasique pétrolier par une conduite depuis un lieu de
production jusqu'à une plate-forme de traitement, en se référant aux
dessins annexés où:
- la figure 1 représente un schéma général de transport d'un fluide
polyphasique selon l'invention,
- la figure 2 schématise un diagramme pression, température montrant le
domaine de formation des hydrates pour une composition de fluide
2 0 donné,
- les figures 3A et 3B montrent différents diagrammes de formation des
hydrates variant en fonction de la composition et la densité du fluide,
- les figures 4A et 4B schématisent différents exemples d'agencement de
moyens de régulation de la pression associé à un dispositif de chauffage
et/ou à une source d'inhibiteurs, et
- les figures SA" SB et SC montrent en détail différents agencements de
moyens indépendants de régulation de la pression et du débit,
Le procédé mis en oeuvre selon l'invention consiste à contrôler et
faire varier si nécessaire un paramètre relié à la formation des hydrates,
3 0 pour conserver et/ou maintenir le fluide transporté ou produit, susceptible
de former des hydrates hors du domaine de formation des hydrates.
On régule, de préférence, la valeur de la pression pour la maintenir en
dessous d'une valeur de pression limite liée à la formation d'hydrates.
Avantageusement, le système permet de réguler la valeur de débit
du fluide indépendamment de la régulation du paramètre permettant le
maintien du fluide hors du domaine de formation.
Afin de mieux cerner l'invention, la description donnée ci-après, à
titre illustratif et nullement limitatif, concerne le transport d'un fluide
polyphasique tel un effluent pétrolier, comportant au moins une phase
4 0 gazeuse et une phase aqueuse, le fluide étant susceptible de former des
2 1 &2222
-
hydrates lorsqu'il est transporté à partir d'un endroit par exemple un
gisement vers un lieu de destination tel qu'une plate forme de traitement.
L'effluent peut aussi comporter des particules solides se présentant par
exemple sous forme de sable.
La figure 1 montre un exemple de réalisation d'un système selon
l'invention équipant un champ de production comprenant par exemple une
tête de puits 1 située à une certaine distance d'une plate-forme principale
2, le transfert de l'effluent polyphasique s'effectuant à l'aide de moyens de
transfert 3 comprenant une conduite reliant le gisement à la plate-forme.
Plusieurs têtes de puits peuvent être reliées à la plate-forme
principale .
La tête de puits 1 peut être pourvue des équipements permettant de
fixer la valeur de pression tête de puits fixée par le producteur pour
obtenir une certaine valeur de débit de production des effluents, par
exemple une duse ou une vanne 7. Cette vanne est de préférence ré~lable,
afin de réguler la valeur de pression tête de puits et/ou le débit de
production, ceci à tout moment.
Un capteur de pression 8, un capteur de température 9 et un
débitmètre 10 sont disposés au voisinage du gisement, par exemple au
2 0 niveau de la tête de puits, pour mesurer respectivement la pression, la
température et le débit de l'effluent.
Ces capteurs peuvent aussi, sans sortir du cadre de l'invention, être
disposés et répartis le long de la conduite, et éventuellement situés sur la
plate-forme principale, pour multiplier les points de mesure. Le nombre et
la position de ces capteurs sont choisis par exemple par rapport au
traitement des données dont certains exemples sont donnés ci-après.
On utilise aussi un dispositif 11 d'analyse de la composition de
l'effluent pétrolier et ou d'un paramètre représentatif de la composition, et
éventuellement de l'évolution de ces paramètres dans le temps. Ce dernier
3 0 sera positionné de préférence à l'endroit ou au voisinage de l'endroit où
l'on souhaite obtenir une information sur la composition de l'écoulement,
par exemple en tête de puits, ou encore au niveau de la plate-forme de
traitement.
La plate-forme principale peut être équipée de moyens de
réexpédition de l'effluent vers une destination finale comportant un
compresseur K et son moteur d'entraînement M.
Les différents moyens ou dispositifs de mesure et d'analyse (7, 8, 9,
10, 1 1 ) sont reliés à un dispositif de traitement et de commande 12
capable:
9 2 1 &2222
-; de mémoriser, d'acquérir et de traiter les différentes mesures, telle la
pression, la température, la composition et/ou un paramètre lié la
composition de l'effluent, et
- de générer au moins un signal pour des dispositifs auxiliaires (non
représentés) ayant pour fonction notamment de faire varier la valeur d'au
moins un des paramètres représentatifs de la formation des hydrates si
nécessaire, tels que la pression P dans la conduite 3, ou encore la
température ou la composition.
Le dispositif de traitement et de commande est par exemple un
micro-contrôleur équipé d'un logiciel adapté pour effectuer les différentes
étapes et déclencher les actions du procédé décrit ci-après. L'échange des
informations peut s'effectuer en continu ou temps réel.
Dans le cas de l'exemple qui est schématisé sur la figure 1, la
pression à l'arrivée de la conduite est régulée en jouant sur la vitesse
d'entraînement du compresseur K de réexpédition de l'effluent par le
moteur M qui est commandée par un signal émis par le dispositif de
traitement et de commande 12.
En ce qui concerne la température, on peut utiliser des moyens de
chauffage ( 13, Fig.4A).
2 0 Pour ce qui est de la composition, on peut aussi utiliser une sourceauxiliaire d'inhibiteurs reliée à la conduite principale par un conduit muni
d'une vanne qui permet de régler le débit de l'inhibiteur envoyé dans la
conduite, la vanne étant commandée par le dispositif de traitement et de
commande 12 (Fig. 4B).
Différents exemples de réalisation et de régulation sont donnés en relation
aux figures 4A, 4B.
On a ainsi un échange d'informations entre le dispositif de traitement
et de commande 12 et les différents moyens et dispositifs de mesure, de
manière à éviter la formation des hydrates dans un fluide en conservant
et/ou en ramenant ce dernier hors du domaine de formation des hydrates.
Dans le cas de l'exemple décrit ci-dessus, la régulation du débit au
moyen de la vanne de contrôle 7 est distincte de la régulation de la
pression obtenue en jouant sur la vitesse de rotation du compresseur de
réexpédition. Un tel dispositif permet notamment de compenser une
- éventuelle variation de débit de l'effluent pouvant résulter de l'action ou
des actions effectuées pour éviter la formation d'hydrates, par exemple à
la suite d'un abaissement de la pression.
Différents exemples d'agencement ou association des moyens de
régulation de formation des hydrates et de régulation éventuelle du débit
sont donnés aux figures SA à S C.
2 1 ~2222
1 o
Le fait d'utiliser des moyens distincts et indépendants pour réguler
` d'une part la valeur de pression et d'autre part la valeur de débit de
l'effluent offre un avantage non négligeable dans la conduite de process de
production .
Le micro-contrôleur 12, qui sur la figure 1 est représenté au
voisinage de la tête de puits, peut tout aussi bien être situé sur une plate-
forme intermédiaire positionnée par exemple au-dessus ou encore au
voisinage de l'unité de production, ou encore sur la plate-forme principale
de traitement.
Dans tous les schémas d'architecture de production pétrolière
envisagés et envisageables, le micro-contrôleur est relié aux différents
moyens de mesure et d'actions de régulation (vanne, moyen de régulation
de débit ou autres, par exemple source d'inhibiteurs, moyens de
chauffage) par des liaisons physiques ou par télétransmission ou encore
par télémétrie. Le type de liaison est choisi en fonction de l'architecture du
système et éventuellement des zones de production, notamment en tenant
compte des conditions extérieures, par exemple des accès à ces zones.
Pour un fluide de composition donnée, le domaine de formation des
hydrates est limité par une courbe limite pression P et température T
2 0 représentée sur la figure 2 par la référence L.
La courbe limite L regroupe un ensemble de couples de valeurs
limites (PL, TL), qui définissent pour une composition donnée du fluide des
points limites de formation des hydrates.
Dans des conditions initiales de production du puits, la valeur de
pression tête de puits, Pw, est, par exemple, fixée par les besoins du
producteur, et la température de l'effluent est fréquemment ~uffisamment
importante pour que le point A représentant les conditions de pression Pw
et de température Tw en tête de puits soit situé sur le diagramme de la
figure 2 en dehors du domaine de formation des hydrates.
3 0 Lorsqu'il est transporté dans une conduite sous-marine jusqu'à une
plate-forme de traitement, la température de l'effluent est affectée par
celle de l'eau qui peut dans certaines régions être située par exemple, aux
environs de 4C, et elle diminue tout le long de la conduite. Sa pression
diminue également du fait des pertes de charge.
Compte tenu des variations de ces deux paramètres, température et
pression, le point représentatif des conditions de température et de
pression au sein de l'effluent peut évoluer dans un diagramme de
variation (P, T) vers un point B situé dans le domaine de formation des
hydrates délimité notamment par la courbe limite L et franchir cette
4 0 courbe limite en un point C, par exemple. La variation d'un seul de ces
1 1 2 1 &2222
pàramètres est dans certains cas suffisante pour faire passer le point dans
le domaine de formation des hydrates.
Il faut noter également que le refroidissement du fluide peut être
plus rapide dans certaines zones de la conduite, par exemple, à la
périphérie .
Le but de l'invention consiste à empêcher le point représentatif des
conditions de pression et de température en une zone quelconque de la
conduite, de traverser la courbe limite L et de pénétrer dans le domaine
de formation des hydrates.
Lors du démarrage de la production on estime, par exemple, la
composition de l'effluent pétrolier et on fixe les conditions de pression en
tête de puits.
On possède donc, les données initiales suivantes, la pression tête de
puits Pw, la composition de l'effluent, et la température de l'effluent en
sortie du gisement que l'on peut mesurer à l'aide du capteur de
température 9.
Au cours de la première étape du procédé, le micro-contrôleur 12
établit une relation entre au moins deux paramètres physiques liés à la
formation des hydrates par exemple la pression et la température afin de
2 0 définir le domaine de formation des hydrates pour le fluide de
composition connue. Ainsi le micro-contrôleur détermine numériquement
par exemple pour chaque valeur de température la valeur limite de
pression, ce qui conduit à un ensemble de couples de valeurs limites
(pression PL, température TL ) qui définissent des points limites par
rapport auxquels on doit toujours se trouver pour éviter la formation
d'hydrates au sein d'un fluide.
Connaissant la relation entre la température et la pression délimitant
le domaine de formation des hydrates, il est possible de construire un
réseau de courbes définissant des domaines de formation d'hydrates
3 0 obtenues pour des fluides ayant des compositions différentes. Des
exemples montrant de telles courbes pour différents corps présents dans
le gaz naturel sont données à la figure 3A.
L'art antérieur décrit des modèles compositionnels permettant
d'obtenir la relation entre la température et la pression ainsi que les
domaines de formation d'hydrates pour un mélange quelconque de tels
constituants .
La seconde étape consiste à mesurer au moins un paramètre
physique lié à la formation des hydrates. Avantageusement, on mesure la
pression en au moins un point de la conduite. Cette mesure peut être
2 1 ~2222
-- 12
effectuée en continu par exemple de manière à surveiller l'évolution de ce
paramètre dans le temps.
La valeur de pression mesurée est transmise du capteur de pression
vers le micro-contrôleur 12 qui dispose donc des données suivantes : la
relation permettant de délimiter le domaine de formation des hydrates, la
valeur de la pression mesurée et représentative de la formation
d'hydrates et la température de l'effluent, cette dernière donnée étant
mesurée par le capteur de température ou estimée.
Ces données sont ensuite traitées par exemple de la manière
suivante: à une valeur donnée de température T, correspond une valeur
de pression limite PL au-dessus de laquelle le risque de formation des
hydrates est important. Le micro-contrôleur détermine à partir de la
valeur de température Tmes et de la relation établie ou du domaine de
formation d'hydrates, la valeur de pression limite PL correspondante. Il
compare alors la valeur de pression mesurée Pmes à la valeur de pression
limite PL. Si Pmes est supérieure à PL, le micro-contrôleur envoie un
signal vers le dispositif de contrôle et de régulation de l'ouverture de la
vanne réglable 7 de manière à abaisser la pression pour la ramener à une
valeur inférieure ou égale à PL.
2 0 11 est possible de définir un intervalle de sécurité autour de cette
valeur limite. Ainsi, la valeur de pression peut être abaissée jusqu'à par
exemple une valeur PL-x%, ce qui permet notamment de s'affranchir de
paramètres aléatoires, autres que la température, la pression et la
composition du fluide, pouvant déplacer la courbe limite de formation des
hydrates .
L'exemple de mise en oeuvre du procédé décrit ci-dessus suppose
que la composition de l'effluent varie peu et que cette variation n'a pas
d'influence sur le domaine de formation des hydrates.
Avantageusement, on détermine un deuxième paramètre, par
3 0 exemple le débit du fluide à l'aide du débitmètre 10 (figure 1).
Le micro-contrôleur 12 traite alors cette information pour obtenir les
profils de température et/ou de pression P le long de la conduite. Cette
façon de procéder offre notamment l'avantage de prévoir une régulation
sur l'ensemble du parcours du fluide, donc d'avoir une action plus étendue
et que l'on peut prévoir.
Le micro-contrôleur peut faire appel, par exemple à un sous-
programme de calcul thermodynamique.
Il est bien entendu que des paramètres autres que la valeur de
pression peuvent être mesurés. On peut ainsi mesurer la température en
4 0 un ou plusieurs points de la conduite, ou encore la composition ou un
1 3 2 1 &2222
p~ramètre représentatif de la composition du fluide. Ce paramètre est, par
exemple la densité du fluide. Dans ce cas le micro-contrôleur acquiert les
données mesurées température et/ou densité par exemple, et génère un
signal à un dispositif permettant de régler cette valeur si nécessaire. Le
schéma de contrôle est sensiblement identique à la régulation de pression
décrite précédemment.
Des exemples de domaine de formation variant en fonction de la
densité d'un effluent sont donnés sur la figure 3B, par exemple pour le
méthane pur dont la densité varie entre 0.555 et 0.9.
La figure 4A schématise un agencement comportant des moyens de
chauffage 13 positionnés par exemple à proximité de la tête de puits et au
voisinage du capteur de température 9 et reliés au micro-contrôleur.
Celui-ci compare la valeur de température mesurée par rapport à une
valeur seuil et commande le moyen de chauffage pour qu'il génère une
puissance suffisante permettant d'augmenter la température et faire
passer le point hors du domaine de formation des hydrates.
Cette augmentation de température peut être locale ou localisée, par
exemple au niveau de la vanne de pression équipant la tête de puits. Son
action peut avoir une portée plus générale.
2 0 Le moyen de chauffage 13 est choisi en fonction de la conduite de
transport, celle-ci pouvant être isolée ou non. On peut utiliser, par
exemple, les moyens de chauffage tels que ceux décrits dans le brevet US
5 .24 1 . 147.
Sur la figure 4B, on a représenté un exemple de réalisation d'un
système selon l'invention comportant un dispositif délivrant un additif
permettant d'inhiber la formation des hydrates en fonction de la
composition contrôlée du fluide. Sur cette figure, le moyen d'analyse de la
composition du fluide 11, par exemple un dispositif pour déterminer la
concentration d'inhibiteur contenu dans le fluide, est positionné au
3 0 voisinage de la tête de puits 1 et relié au micro-contrôleur 12.
La plate forme principale comporte par exemple une source auxiliaire 14
contenant un inhibiteur de formation d'hydrates relié à la tête de
production 1 par une conduite 15 munie d'une vanne 16.
Le micro-contrôleur 12 reçoit l'information relative à la
concentration d'inhibiteurs et la compare à une valeur seuil, et lorsqu'il est
nécessaire, envoie un signal de commande vers la vanne 16 pour
l'injection d'une certaine quantité d'inhibiteur de la source auxiliaire 14
vers la tête de puits, par exemple par l'intermédiaire de la conduite 15. Le
débit de l'inhibiteur est facilement contrôlable. Une alternative consiste
4 0 par exemple à mesurer le débit d'inhibiteur passant dans la conduite I S
21 &2222
I
ainsi que le débit passant dans la conduite 3 et à en déduire la teneur en
inhibiteur à l'aide du dispositif 12.
Au cours de la durée de vie d'un gisement, la composition du fluide
évolue fréquemment et il peut s'avérer nécessaire de tenir compte de
cette variation pour corriger le domaine de formation des hydrates défini
par exemple au démarrage de production d'un gisement.
Une façon de procéder consiste à prendre en compte un paramètre
dépendant de la composition du fluide, par exemple sa densité et à
déterminer l'évolution de ce paramètre dans le temps. Le densimètre l l
10 utilisé à cet effet est relié au micro-contrôleur qui tient compte de sa
mesure pour corriger la relation entre la pression et la température et
redéfinir le domaine de formation des hydrates, en se basant par exemple
sur un réseau de courbes dépendant de la densité tel celui représenté sur
la figure 3B. Ce réseau de courbes a été obtenu par exemple préalablement
à partir de plusieurs échantillons de fluide ayant des densités différentes
et connues dans des conditions de pression et de température données.
Le fait d'abaisser la pression peut changer la valeur de débit de
l'effluent dans la conduite.
Il s'avère avantageux lors du transport d'effluent pétrolier de conserver ce
2 0 débit à une valeur sensiblement voisine de celle fixée par le producteur en
démarrage de production pour un gisement donné.
Il est possible de remédier à ce problème par exemple à I'aide d'un
dispositif de régulation du débit de l'effluent indépendant du moyen de
régulation de la pression. Différents agencements pour ces dispositifs de
régulation sont décrits aux figures 5A à SC, la mise en oeuvre du procédé
étant sensiblement identique pour tous ces agencements.
Le débitmètre 10 envoie au micro-contrôleur 12 la mesure de débit
effectuée Q, par exemple après une variation de pression, la mesure
pouvant être déclenchée par le micro-contrôleur en comparant la
3 0 diminution de pression par rapport à une valeur limite ou encore
surveillée en continu. Il compare ensuite cette valeur mesurée de débit Q à
une valeur seuil Qs, définie par exemple à partir de la valeur de débit
initiale Qi fixée par le producteur, par Qs = Qi +/- y%. La quantité y peut
être définie en fonction de la variation de débit tolérable pour le
producteur. Si la valeur du débit mesurée est située en dehors de la
fourchette ainsi définie, le micro-contrôleur envoie un signal vers le
dispositif de régulation de débit pour ramener le débit mesuré à une
valeur située dans la fourchette acceptable pour le producteur.
Dans certains cas, lorsque la chute de pression à travers la vanne de
4 0 contrôle 7 placée en tête de la conduite est importante en raison d'un écart
21 &2222
1 5
i~nportant entre la pression en tête de puits résultant de la régulation du
débit et la pression dans la conduite résultant de la régulation de pression
destinée à empêcher la formation des hydrates, cette chute de pression
peut se traduire par un abaissement de température qui peut favoriser la
formation des hydrates.
Dans certains cas, il est possible de corriger cet abaissement de
température en agissant sur le moyen de chauffage, tel que le moyen 13
de la figure 4A.
Le micro-contrôleur 12 surveille, par exemple, I'abaissement ou
10 diminution de pression réalisée pour ramener le fluide en dehors de la
formation d'hydrates. Lorsque cette valeur est supérieure à une valeur
DPmax, il envoie une commande vers le moyen de chauffage qui génère
une quantité d'énergie ou puissance suffisante pour qu'il ramène la
température du fluide hors du domaine critique de formation des
hydrates. La quantité d'énergie à envoyer peut être déterminée à partir de
la diminution de pression et du fluide concerné.
Une table de correspondance entre l'échauffement à provoquer et la
différence de pression DP peut être déterminée à partir des courbes
limites de formation des hydrates et/ou de la relation établie pour chaque
2 0 fluide.
Selon une autre manière de procéder on peut aussi corriger ce
glissement par exemple en modifiant la composition du fluide en ajoutant
une certaine quantité d'additif tel un inhibiteur d'hydrates. Un schéma
possible d'agencement de moyens pour effectuer cet addition est
représenté, par exemple, sur la figure 4B.
Pour obtenir un tel résultat, le micro-contrôleur 12 envoie par
exemple un signal de commande par exemple vers l'ensemble d'injection
d'inhibiteur d'hydrates (figure 4B) comportant une ou plusieurs sources
d'inhibiteurs d'hydrates reliées par la conduite 15 pourvue de la vanne 16
3 0 à la tête de puits 1. Le micro-contrôleur commande l'ouverture de la
vanne 16 de façon à contrôler le débit de l'inhibiteur envoyé pour faire
glisser le point limite de formation des hydrates. La quantité d'inhibiteurs
à injecter peut être contrôlée à partir d'une relation ou d'un modèle liant
la quantité d'inhibiteurs en fonction de la chute de pression et pour un
fluide donné par exemple.
Il est bien entendu que sans sortir du cadre de l'invention, les
différents moyens de chauffage et d'injection d'inhibiteurs peuvent être
associés pour optimiser le procédé selon l'invention, et corriger d'éventuels
glissements ou déplacement des domaines de formation des hydrates
4 0 survenant après une baisse de pression importante.
21 &~222
1 6
Selon un autre mode de mise en oeuvre du procédé, le micro-
contrôleur peut comprendre et/ou déterminer des modèles ou données
permettant de prendre en compte des paramètres complémentaires tels
que la vitesse de l'effluent, les turbulences dans les écoulements circulant
dans la conduite de transport de manière à affiner l'intervalle x
d'incertitudes liés à la valeur de pression limite.
Il peut éventuellement faire appel à des modèles de prédiction ou
des modèles probabilistes pour déterminer le domaine de formation des
hydrates .
l 0 Les figures 5A à 5C schématisent différents exemples d'agencements
possible pour associer les moyens de régulation de la valeur de pression et
les moyens de régulation de la valeur de débit.
Avantageusement, ces deux moyens sont distincts et offrent
l'avantage de faire varier indépendamment ces deux paramètres.
Dans le cas de l'exemple schématisé sur la figure 5A, un débitmètre
est placé en 20 et le débit est régulé au moyen de la vanne de contrôle 7.
Un capteur de pression associé à un dispositif de mesure et de contrôle
(PRC) est placé en 23, un capteur de température associé à un dispositif de
mesure (TR), en 24, un densimètre associé à un dispositif de mesure (MR),
2 0 en 25. A partir des informations transmises par les capteurs placés en 20,
24 et 25, le dispositif de traitement et de commande 12 détermine une
valeur de limite de la pression à ne pas dépasser en 23 et transmet un
signal au dispositif de mesure et de contrôle de la pression (PRC) qui agit
sur la vitesse du moteur d'entraînement M du compresseur K de façon à
réguler la pression en 23.
Dans le ca's de l'exemple schématisé sur la figure 5B,. Ia vanne 7
contrôle la pression qui est mesurée à l'aide d'un capteur de pression
placé en 21, le dispositif de mesure et de contrôle de la pression (PRC)
étant commandé par un signal transmis par le dispositif de traitement et
3 0 de commande 12.
Le débit est contrôlé par la vanne 26 actionnée par le dispositif de
mesure et de contrôle de débit (FRC) à partir d'un signal envoyé par le
dispositif de traitement et de commande 12, le débit étant mesuré à l'aide
d'un capteur placé en 27.
Dans le cas de l'exemple schématisé sur la figure 5C, la vanne 7
contrôle la pression comme dans le cas de l'exemple schématisé sur la
figure 5B, mais le débit est contrôlé en jouant sur la vitesse
d'entraînement du moteur entraînant le compresseur K comme dans le cas
de la figure 5A.
` _ 17 21 ~2222
Dans tous les exemples de réalisation selon l'invention, le dispositif
. de traitement et de commande 12 est adapté à tout instant, à mémoriser
et traiter les données mesurées et enregistrées ainsi qu'à d'effectuer les
calculs permettant, notamment, de déterminer les valeurs limites des
paramètres mesurés tels que la température et la pression.
Afin d'effectuer ces calculs, le micro-contrôleur utilise, par exemple
un logiciel de détermination du domaine de formation des hydrates.
Différents types de logiciels peuvent être utilisés, par exemple le
logiciel peut mettre en oeuvre un modèle compositionnel tel que les
l O modèles de Ng et Robinson décrits dans le chapitre 6 de l'ouvrage intitulé
"Le Gaz Naturel" (A.~ojey et al, paru en 1994 aux Éditions Technip), ou
encore des modèles empiriques simplifiés dans lesquels l'effet de la
composition est pris en compte que par l'intermédiaire de la densité, ces
modèles étant basés sur la représentation sous forme de relations
analytiques d'un réseau de courbes, tels que celui représenté sur la figure
3B.
Les différents moyens de mesure et d'analyse précédemment décrits
et mis en oeuvre dans le cadre de l'invention, peuvent se trouver au
voisinage du gisement, sur une plate-forme intermédiaire ou au niveau du
2 0 lieu de traitement et de destination finale, en fonction notamment des
facilités d'accès des gisements de production.
La plate-forme intermédiaire peut être une bouée flottante, mobile
et facilement déplaçable d'un champ de production vers un autre en
fonction des besoins et notamment des conditions de production.
Les différents dispositifs permettant de faire varier au moins un
paramètre pour ~maintenir et/ou ramener le fluide hors du . domaine de
formation des hydrates, par exemple les vannes de régulation de pression,
les moyens de régulation de vitesse du moteur, les moyens de chauffage,
Ies dispositifs d'injection d'inhibiteurs d'hydrates peuvent être utilisés
30 seuls ou associés sans sortir du cadre de l'invention.
Ces dispositifs ainsi que leur agencement seront notamment choisis
en fonction des conditions de production.
Il est aussi possible d'inclure dans le système précédemment décrit,
un moyen de prétraitement de l'effluent tel qu'un séparateur d'eau
permettant d'ôter au moins une partie de l'eau dans le cas d'effluent
comportant une phase aqueuse en quantité importante.
La méthode et le dispositif selon la présente invention peuvent être
envisagés pour des applications ponctuelles ou ayant un champ
d'application restreint ou limité, le dispositif étant alors situé dans des
4 0 endroits propices à la formation d'hydrates.
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I 8
La méthode et le système selon l'invention sont avantageusement
utilisés dans le cas d'un arrêt de production. L'arrêt est par exemple
détecté par le micro-contrôleur par l'intermédiaire d'une mesure de débit
qui tend vers 0. Dès qu'il reçoit une information traduisant un arrêt de
production, le micro-contrôleur envoie par exemple un signal pour
abaisser et maintenir la pression en dessous d'une valeur seuil.
Lors du redémarrage de la production, le micro-contrôleur peut
rétablir les conditions de pression et température souhaitées en contrôlant
l'évolution de la courbe pression, température de manière à éviter au
10 fluide de pénétrer dans le domaine de formation des hydrates.
