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WO 2007/132073 PCT/FR2006/001090
Système de nettoyage d'une cuve de pétrole et procédé de nettoyage d'une
cuve de pétrole
L'invention concerne un système de remise en suspension d'un sédiment qui a,
par dépôt, formé une couche sur le fond d'une cuve à toit flottant renfermant
du
pétrole brut ainsi qu'un procédé de mise en oeuvre de ce système.
On sait que les cuves de stockage de pétrole brut sont très généralement des
cuves cylindriques à toit flottant. La structure de toit est donc à un niveau
plus
ou moins haut par rapport au soi selon la quantité de pétrole brut qui se
trouve
dans la cuve. Bien entendu, la périphérie du toit flottant comporte des
organes
d'étanchéité permettant d'éviter que le pétrole ne passe à la périphérie du
toit.
On a constaté que dans ces cuves de stockage, il se dépose progressivement
sur le fond de cuve un sédiment constitué pour une large part des fractions
les
plus lourdes du pétrole brut stocké, notamment de composés paraffiniques, et
d'éléments inorganiques tels que de l'eau, du sable, des particules de rouille
ou
analogues. Ce sédiment, appelé "sludge" en terminologie anglo-saxonne, est
susceptible de constituer sur les fonds de cuve des couches très épaisses de 1
ou 2 mètres ou plus et il est nécessaire de nettoyer les cuves en enlevant ce
sédiment. En effet, si le sédiment s'accumule sur le fond de cuve et que le
toit
flottant descend vers le fond, le risque est d'avoir un contact entre le toit
flottant
et un point du dépôt de sédiment, ce qui déséquilibre le toit et le bloque en
position oblique dans la paroi latérale de la cuve ; or, le poids d'un toit
flottant
étant de plusieurs centaines de tonnes, on conçoit que la réparation d'un tel
incident entraîne des coûts considérables. En outre, le sédiment occupe un
volume important qui ne peut plus être utilisé pour le stockage du pétrole.
Ainsi,
la couche de sédiment diminue la capacité de stockage de la cuve.
Le toit flottant est muni de manchons dans lesquels on insère des béquilles
permettant de soutenir le toit et d'éviter son effondrement lorsque la cuve
est
vide. Ainsi, lorsqu'on vidange la cuve, le toit descend vers le fond et toutes
les
béquilles de soutien viennent se poser sur le fond. Par conséquent, le toit
est
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maintenu à distance du fond et il est possible de vider totalement la cuve du
pétrole brut liquide qu'elle contient afin d'extraire le sédiment.
Afin d'extraire le sédiment, on a notamment proposé d'effectuer un enlèvement
manuel, le personnel entrant dans la cuve par les trous d'homme qu'elle
comporte à la base de sa paroi latérale. Cette opération est longue, pénible
et
coûteuse et le sédiment, ainsi extrait d'une cuve, doit être évacué en évitant
toute pollution ; il est alors généralement détruit par incinération. Une
telle
opération de nettoyage a un coût global prohibitif.
On a déjà proposé également d'introduire par un trou d'homme, lorsque la cuve
est vide, un agitateur central disposé à proximité de la couche de sédiment et
qui peut tourner autour d'un axe vertical ; un tel agitateur utilise le
caractère
thixotropique du sédiment pour tenter de le remettre en suspension quand on a
is réintroduit du pétrole liquide dans la cuve, mais il n'a qu'une influence
localisée
dans la zone centrale du fond de cuve et, par ailleurs, la puissance, qui est
nécessaire à sa mise en rotation à une vitesse efficace, entraîne la création
d'une émulsion constituée de l'eau contenue dans le sédiment et du pétrole
brut,
émulsion qui est hautement indésirable pour l'utilisation du pétrole brut
stocké.
Un tel dispositif de nettoyage ne donne donc pas satisfaction.
Afin de résoudre ces problèmes, il est connu de remettre le sédiment en
suspension dans le pétrole brut en générant une turbulence et/ou des
tourbillons
dans l'ensemble du volume de pétrole liquide qui surmonte le sédiment et
d'envoyer des jets de pétrole suffisamment puissants sur le sédiment pour que
celui-ci soit progressivement remis en suspension. Ainsi, la cuve ne nécessite
pas d'être vidangée et la couche de sédiment disparaît petit à petit et se
retrouve à l'intérieur du pétrole brut liquide, ce qui revalorise une partie
du
sédiment puisqu'une partie des sédiments est remise en suspension et n'est pas
à évacuer hors de la cuve pour être détruite.
A cet effet, il est connu des systèmes de remise en suspension d'un sédiment
équipés d'une pompe permettant d'aspirer le pétrole au travers d'un conduit
puis
de réinjecter le pétrole au moyen de lances portées par le toit flottant. Les
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lances remplacent les béquilles du toit flottant et comportent des orifices
d'injection envoyant des jets en direction de la couche de sédiment afin de la
remettre en suspension.
Un système de l'art antérieur prévoit notamment d'équiper les lances d'une
tête
montée libre en rotation par rapport à l'axe de la lance. La tête des lances
est
équipée d'un orifice dirigé vers le bas de la cuve et donc vers les sédiments
et
de deux orifices latéraux dont l'axe ne passe pas par l'axe de rotation de la
tête
Ainsi, un volume tourbillonnaire est généré par la lance et permet de remettre
en
io suspension la couche de sédiment. Cependant, la pression à la sortie des
orifices doit être suffisamment importante pour permettre la mise en
suspension
de la couche. Par conséquent, la section des orifices d'injection doit être
suffisamment faible pour que, avec le débit généré par la pompe, le volume
tourbillonnaire généré par une lance recoupe les volumes tourbillonnaires
is afférents aux lances adjacentes.
Cependant, la section des orifices d'injection est tellement faible que des
particules en suspension dans la cuve sont susceptibles de boucher lesdits
orifices.
Afin de remédier à ce problème, il est connu de munir le conduit d'aspiration
et
d'injection du pétrole d'un filtre. Ainsi, les particules solides telles que
le sable,
les petits graviers ou la rouille sont arrêtées par le filtre. En outre, le
dispositif de
filtration permet ainsi de nettoyer le bac et de protéger l'ensemble du
matériel
placer en aval dudit dispositif de filtration.
Cependant, en contrepartie, le filtre provoque une perte de charge en amont de
la pompe qui augmente avec la quantité de particules piégées dans le filtre.
Ainsi, après une durée d'utilisation importante, la perte de charge au niveau
du
filtre provoque une diminution de la pression disponible à la sortie de la
pompe.
Par conséquent, l'installation doit être arrêtée afin de procéder aux
opérations
de nettoyage sur le filtre.
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L'invention vise à remédier à ces problèmes en proposant un système de
remise en suspension permettant de filtrer les particules contenues dans la
cuve
tout en autorisant un fonctionnement en continue de l'installation.
A cet effet, et selon un premier aspect, l'invention propose un système de
remise en suspension d'un sédiment qui a, par dépôt, formé une couche sur le
fond d'une cuve à toit flottant renfermant du pétrole brut, ledit dispositif
comportant :
- au moins un conduit d'aspiration et de réinjection du pétrole contenu dans
io ladite cuve ;
- une pompe permettant d'assurer la circulation du pétrole dans ledit conduit
;
- un dispositif de filtration destiné à éliminer les éléments inorganiques
contenus dans le pétrole brut ; et
- des lances d'injection du pétrole portées par le toit flottant et comprenant
chacune au moins un orifice d'injection envoyant un jet en direction de la
couche de sédiment ;
ledit conduit d'aspiration et de réinjection étant connecté à son extrémité
amont à la cuve et à son extrémité aval aux lances d'injection.
Le dispositif de filtration comprend au moins un premier et un second filtre
montés en parallèle et connectés au conduit d'aspiration et de réinjection au
moyen d'un dispositif de commutation permettant de diriger le flux de pétrole
sélectivement vers le premier ou le second filtre.
Ainsi, lorsque le flux de pétrole est dirigé vers le second filtre, des
opérations de
maintenance peuvent être effectuées sur le premier filtre et inversement.
Avantageusement, les filtres sont des filtres à panier amovible. Ainsi, le
panier
du filtre peut être dégagé puis nettoyé de façon aisée.
Avantageusement, le dispositif de commutation comprend une vanne trois voies
disposée en amont du premier et du second filtre et comprend en outre une
seconde vanne trois voies disposée en aval du premier et second filtre.
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Ainsi, le dispositif de commutation permet de diriger le flux de pétrole
sélectivement vers le premier ou le second filtre.
Avantageusement, le dispositif de filtration comprend en amont et en aval de
5 chaque filtre un manomètre permettant de mesurer la perte de charge entre
l'entrée et la sortie du filtre. Ainsi, l'utilisateur peur facilement savoir
si l'un des
filtres nécessite des opérations de nettoyage.
Avantageusement, le dispositif de filtration est connecté au conduit
d'aspiration
en amont de la pompe. Ainsi, le dispositif de filtration permet de protéger la
pompe et le matériel disposé en aval de la pompe.
Avantageusement, les lances possèdent une tête montée libre en rotation par
rapport à l'axe de la lance, ladite tête comprenant au moins deux orifices
d'injection latéraux dont l'axe de sortie ne passe pas par l'axe de rotation
de la
tête. De préférence, la tête est en outre équipée d'un troisième orifice
d'injection
dont l'axe de sortie est dirigé vers le fond de la cuve.
Dans un mode de réalisation de l'invention, le système de remise en suspension
comprend un premier dispositif de répartition n voies permettant de connecter
le
conduit d'aspiration et de réinjection du pétrole aux lances d'injection du
pétrole
et comprend en outre n dispositifs de répartition p voies connectés d'une part
au
premier dispositif de répartition et d'autre part à p lances d'injection du
pétrole.
Ainsi, une pompe permet d'alimenter n*p lances d'injection.
Dans un mode de réalisation de l'invention, le système est modulaire et peut
comprendre au moins un second conduit jumelé au premier. Le second conduit
d'aspiration est également connecté à son extrémité amont à la cuve et à son
extrémité aval aux lances d'injection et est également équipé d'une seconde
pompe permettant d'assurer la circulation du pétrole dans ledit second conduit
et d'un dispositif de filtration. Ainsi, le système permet d'alimenter un
grand
nombre de lances de sorte à disposer des lances à une faible distance les unes
des autres et sur toute la surface du toit flottant. Par conséquent, le
système est
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modulaire et peut comporter en fonction des besoins un ou plusieurs conduits
disposés en parallèle.
Selon un deuxième aspect, l'invention concerne un procédé de remise en
suspension d'un sédiment qui a, par dépôt, formé une couche sur le fond d'une
cuve à toit flottant renfermant du pétrole brut, ledit procédé prévoyant :
- d'aspirer le pétrole brut dans la cuve au moyen d'une pompe et d'un conduit
d'aspiration et de réinjection du pétrole ;
- filtrer le pétrole brut au moyen d'un dispositif de filtration comprenant au
io moins un premier et un second filtre montés en parallèle et connectés au
conduit d'aspiration et de réinjection au moyen d'un dispositif de
commutation permettant de diriger le flux de pétrole sélectivement vers le
premier ou le second filtre ;
- injecter le pétrole brut dans la cuve au moyen de lances portées par le toit
flottant, mises en places verticalement au-dessus du sédiment et comportant
chacune au moins un orifice d'injection envoyant un jet en direction de la
couche de sédiment.
Le procédé prévoit en outre de commuter le flux de pétrole du premier vers le
second filtre ou inversement et d'effectuer des opérations de maintenance sur
le
filtre ne recevant plus le flux de pétrole.
Avantageusement, le procédé prévoit en outre de mesurer la perte de charge
entre l'entrée et la sortie du filtre vers lequel le flux de pétrole est
orienté, de
comparer la perte de charge à une valeur consigne et de commuter le flux de
pétrole si la perte de charge mesurée est supérieure à la valeur de consigne.
D'autres objets et avantages de l'invention apparaîtront au cours de la
description qui suit, faite en référence aux dessins annexés, dans lesquels :
- la figure 1 est une représentation schématique d'un système de remise en
suspension d'un sédiment selon l'invention;
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- la figure 2 représente schématiquement en coupe une cuve de pétrole brut à
toit flottant dans laquelle on a mis en place une lance pour la réinjection du
pétrole brut pompé comme indiqué sur la figure 1, les autres lances n'étant
pas figurées ;
- la figure 3 est une représentation schématique d'un système selon
l'invention, le dispositif de filtration étant représenté de façon détaillée.
Sur les figures 1 à 3, une cuve 1 de stockage de pétrole brut est représentée.
La
io cuve 1 est constituée d'une paroi latérale cylindrique la, dont la base lb
constitue le fond de cuve 1. La cuve 1 est équipée d'un toit flottant 2 sur le
pétrole brut et dont la périphérie comporte des organes d'étanchéité non
représentés.
is De façon classique, une telle cuve peut avoir un diamètre d'environ 50 m et
une
hauteur de 15 m. Dans une telle cuve, le brut décante progressivement et donne
naissance à un sédiment 3 qui constitue une couche sur le fond de la cuve lb.
La couche 3 peut atteindre plusieurs mètres d'épaisseur et sa surface est
relativement irrégulière. Le sédiment 3 est généralement de nature
20 thixotropique.
Avantageusement, avant l'installation du système, on réalise une série
d'analyses. En effet, on réalise préalablement une cartographie de la couche
de
sédiment 3 qui permet de déterminer la hauteur à laquelle le toit flottant 2
et les
25 orifices 8a, 8b, 8c des lances 5 vont être placées. En outre, on analyse la
densité, la viscosité et la composition de la couche de sédiment 3 et du
pétrole
brut et des échantillons de pétrole brut contenant des pourcentages variables
de
sédiments 3 remis en suspension sont également analysés.
30 En fonction de la cartographie de la couche de sédiment 3, on vide
partiellement
la cuve 1. A supposer que l'épaisseur de la couche de sédiment 3 est de 1
mètre, on laisse subsister dans la cuve 1 au-dessus du sédiment 3 environ 3
mètres de pétrole brut. Ainsi, le toit 2 se trouve à peu près 4 mètres au-
dessus
du fond 1 b de la cuve 1.
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Dans l'exemple décrit, le toit flottant 2 est équipé de 72 béquilles qui
traversent
le toit 2 par des manchons de béquilles désignés par 4 sur les figures 2 et 3.
Ces béquilles ont une longueur comprise entre 1,8 et 2,2 m. Les béquilles sont
remplacées une à une par des lances 5 mises en place dans les manchons 4.
Les lances 5 sont équipées dans leur partie inférieure d'une tête 6 montée en
rotation autour de l'axe longitudinal de la lance 5. Avantageusement, la tête
6 de
la lance 5 est munie de trois orifices d'injection 8a, 8b, 8c. Un premier
orifice 8a
est dirigé vers le bas selon l'axe longitudinal de la lance 5 alors que les
deux
autres orifices 8b, 8c sont disposés latéralement. L'axe de sortie des
orifices
latéraux 8b, 8c ne passe pas par l'axe de rotation de la tête 6. Ainsi,
l'injection
du pétrole par les orifices latéraux entraine la rotation de la tête ce qui
provoque
un volume tourbillonnaire. Avantageusement, les axes de sorties des deux
is orifices latéraux 8b, 8c sont parallèles et symétriques par rapport à l'axe
de
rotation de la tête 6 sur la lance 4. Les axes de sorties des orifices sont
par
exemple inclinés de 30 par rapport à un plan radial de la tête 6.
Dans un mode de réalisation de l'invention, la section des orifices 8a, 8b, 8c
est
d'environ 5 mm.
Les orifices d'injection 8a, 8b, 8c des lances 5 sont généralement placés à
environ 50 cm au-dessus de la couche de sédiment 3.
Au moins un conduit 11 d'aspiration et de réinjection du pétrole brut est
connecté à son extrémité amont à la cuve 1 et à son extrémité aval aux lances
5
d'injection et une pompe 7 permet d'assurer la circulation du pétrole dans le
conduit 11. Dans un mode de réalisation de l'invention, la pompe 7 est une
pompe volumétrique à vis débitant environ 360 m3/h. On remarquera que le
terme conduit d'aspiration et de réinjection désigne l'ensemble des
conduits
reliant les différents éléments du système.
Un dispositif de filtration 9 est disposé en amont de la pompe 7 et permet
d'éliminer les éléments inorganiques qui se trouvent dans le pétrole pompé.
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Selon l'invention, le dispositif de filtration, représenté de façon détaillée
sur la
figure 3, est composé d'un premier filtre 15a et d'un second filtre 15b
connectés
en parallèle au conduit d'aspiration 11. Un dispositif de commutation permet
de
diriger le flux de pétrole sélectivement vers le premier 15a ou le second
filtre
15b. Ainsi, lorsqu'un des filtres 15a commence à se boucher, le flux de
pétrole
est orienté vers l'autre filtre 15b. Avantageusement, les filtres 15a, 15b
sont des
filtres à panier dont le diamètre nominal est de 250 mm. Un filtre à panier
comprend un carter dans lequel est introduit un panier rigide amovible, par
exemple métallique, percé de trous au travers desquels s'écoule le fluide
purifié.
Selon la présente invention, le diamètre des trous est d'environ 1 ou 2 mm. Le
panier permet une épuration du fluide en retenant les particules solides de
dimensions supérieures aux trous du panier. Ce type de filtre est
particulièrement adapté à la présente invention, car le panier est amovible et
permet ainsi un nettoyage facile et rapide du filtre.
Dans un mode de réalisation préféré de l'invention illustré sur la figure 3,
le
dispositif de commutation comprend une vanne 16 trois voies disposée en.
amont du dispositif de filtration. La vanne trois voies 16 est raccordée d'une
part
au conduit 10 et d'autre part à l'entrée du premier filtre 15a et à l'entrée
du
second filtre 15b. La vanne 16 permet d'orienter le flux de pétrole soit vers
l'entrée du premier filtre 15a soit vers l'entrée du second filtre 15b. Le
dispositif
de commutation comprend en outre une vanne 17 trois voies disposée en aval
du dispositif de filtration 9.
Avantageusement, le dispositif de filtration 9 comprend en outre pour chaque
filtre 15a, 15b deux manomètres 18a, 18b respectivement installés en amont du
filtre 15a, 15b et en aval du filtre 15a, 15b. Les manomètres 18a, 18b
permettent
de mesurer la perte de charge entre l'entrée et la sortie du filtre 15a, 15b.
Dans
un mode de réalisation particulier, le dispositif de filtration 9 peut aussi
comprendre un circuit mesurant la perte de charge entre le manomètre amont
18a et le manomètre aval 18b et délivrant un signal d'avertissement lorsque la
perte de charge dépasse une valeur consigne.
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Lorsque la perte de charge dans le filtre 15a utilisé dépasse une valeur
consigne, le flux de pétrole est alors commuté vers l'autre filtre 15b et le
filtre
précédemment utilisé 15a peut alors être nettoyé. Ainsi, l'installation peut
fonctionner en continu.
5
Dans le mode de réalisation représenté, le conduit 10 est connecté en aval de
la
pompe à un premier dispositif 12 de répartition 3 voies. Chacune des trois
voies
est ensuite connectée à un second dispositif 13 de répartition 12 voies dont
chacune des voies est munie d'une vanne 14 et connectée à une lance 5. Ainsi,
io selon ce mode de réalisation, le conduit 11 permet d'alimenter 36 lances.
Afin
d'alimenter les 72 lances, le système comprend en outre un second conduit 19
d'aspiration et de réinjection connecté à son extrémité amont à la cuve 1 et à
son extrémité aval aux lances 5 d'injection. Le second conduit 19 est
également
équipé d'une pompe 7, d'un dispositif de filtration 9 et d'un premier 12 et
second
is dispositif 13 de répartition comme dans le cas du premier conduit 11.
Lorsque les pompes 8 aspirent le brut dans la cuve 1 et le refoulent dans les
lances 5, il se crée autour de chaque lance 5 un volume turbulent et
tourbillonnaire.
On choisit des sections des orifices 8a, 8b, 8c, qui soient suffisamment
faibles
pour que la pression d'éjection du jet soit suffisante pour que le rayon du
volume
tourbillonnaire créé autour de la lance 5 permette à ce volume tourbillonnaire
de
venir recouper les volumes tourbillonnaires afférents aux lances adjacentes 5.
Ainsi, l'ensemble du pétrole brut liquide qui surmonte le sédiment subit une
mise
en mouvement. Les orifices 8a de lances 5 dirigés vers le bas viennent
attaquer
la surface supérieure du sédiment qui se remet alors en suspension dans le
pétrole brut. Les orifices latéraux 8b, 8c créent un volume tourbillonnaire
qui
brasse le pétrole dans tout le volume de la cuve 1 et empêche ainsi les
sédiments de se redéposer.
On constate qu'après une période de fonctionnement, le sédiment 3 a
pratiquement disparu sur toute la surface du fond lb de cuve 1, seuls restent
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sur ledit fond lb des éléments inorganiques initialement contenus dans le
sédiment.
Pour repérer la fin de l'opération, on utilise généralement une mesure de
densité
du pétrole brut, le nettoyage étant arrêté lorsque la densité atteint la
valeur que
l'on a prédéterminée par le calcul à partir de prélèvements initiaux de brut
et de
sédiment et des volumes relatifs de sédiment et de pétrole brut maintenu dans
la cuve pour l'opération de nettoyage.
On remarquera que dans un mode de réalisation de l'invention, le système est
équipé d'un réservoir 10 permettant éventuellement de réintroduire du pétrole
brut ayant des caractéristiques physico-chimiques différentes du pétrole brut
contenu dans la cuve, de sorte à obtenir en fin d'opération, lorsque le
sédiment
est remis en suspension, un pétrole brut ayant des caractéristiques physico-
chimiques de consigne.
