FR2864241A1 - Determining at least one characteristic parameter of a hydrocarbon/water emulsion using nuclear magnetic resonance to measure the distribution of relaxation times - Google Patents

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Abstract

The method involves using nuclear magnetic resonance to measure the distributions of relaxation times T2 of the emulsion, analysing a magnetic signal from a CPMG type sequence. From these distributions obtained respectively for oil and water, at least one of the following is determined: water/oil volume ratio; average size of droplets; polydispersity of droplets : The emulsion is made of a hydrocarbon in a continuous aqueous phase, the hydrocarbon having a viscosity notably different to that of the aqueous phase. The distribution of relaxation times T2 of the continuous aqueous phase of the emulsion is analysed from the following relationship: (1/T2) = (1/T2B) + rho 2(S/V), where S is the surface of tehs space between the oil droplets; V the volume of this space; T2B the reference relaxation time of water not in emulsion and rho 2 a parameter which represents the intensity of the water-oil interactions. The average size of droplets and the coefficient rho 2 are obtained by determining the ratio S/V by measuring the diffusion coefficient Deff of the aqueous phase as a function of time. A comparison is made between the distributions T2 with the distributions obtained from a sample of emulsion in which the continuous phase has been replaced by a deuterium aqueous phase. An independent claim is made for a device to characterise an emulsified effluent, comprising means of taking a sample of the emulsion circulating in a transport pipe; means of carrying out the method described above, and means of controlling the quality of the emulsion as a function of the parameter obtained by the above method.

Description

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De part leurs ressources actuellement identifiées à 1000 Gb, les hydrocarbures bruts lourds (définis par une densité inférieure à 20 API) constituent une réserve d'hydrocarbures considérable quasiment identique à celle des huiles conventionnelles. Néanmoins, en raison de leur forte viscosité, l'exploitation de ces produits pétroliers reste techniquement difficile. Dans les conditions réservoirs, ces bruts ont généralement des viscosités au moins supérieures à 100 centipoises. Marginale aujourd'hui, leur production ne représente que 6 à 8% de l'activité mondiale. Mais les bruts lourds constituent des réserves en hydrocarbures stratégiques qui seront amenées à être largement exploitées dans les années à venir. Par bruts lourds, on comprend aussi les bruts extra lourds, notamment les bitumes. La présente invention s'applique également aux émulsions aqueuses de résidus que l'on peut obtenir après raffinage, par exemple les résidus de distillation atmosphérique ou sous-vide.  Because of their resources currently identified at 1000 Gb, heavy crude hydrocarbons (defined by a density less than 20 API) constitute a considerable hydrocarbon reserve almost identical to that of conventional oils. Nevertheless, because of their high viscosity, the exploitation of these petroleum products remains technically difficult. In reservoir conditions, these crudes generally have viscosities of at least greater than 100 centipoise. Marginal today, their production represents only 6 to 8% of global activity. But heavy crudes are strategic hydrocarbon reserves that will be brought to be widely exploited in the years to come. By heavy crudes, it also includes extra heavy crudes, including bitumens. The present invention is also applicable to aqueous emulsions of residues that can be obtained after refining, for example residues of atmospheric or vacuum distillation.

On connaît des procédés de transport de ces bruts visqueux qui consistent à fluidifier le brut par chauffage, ou le mélanger avec un produit fluidifiant. Une autre technique utilisée actuellement pour faciliter le transport des huiles lourdes est leur mise en émulsion. La mise en émulsion directe d'un brut lourd consiste à le disperser sous forme de gouttelettes dans de l'eau afin de diminuer sa viscosité. C'est une technique efficace pour réduire la viscosité de ces produits pétroliers et la rendre compatible avec les spécifications de transport en conduite [Rimmer D., Greogoli A., Hamshar J., Yildirim E., "Pipeline emulsion transportation for heavy oils", in L.L. Schramm (Ed.), Emulsions Fundamentals and Applications in the Petroleum Industry, American Chemical Society, Washington DC, chapter 8, 295-312,1992]. Les possibilités de formulation sont non seulement variées (ajout ou création in situ de surfactants...) mais aussi fiables. Elles aboutissent à des émulsions faiblement visqueuses et très stables qui contiennent, en général, jusqu'à 70% en volume de brut.  Processes are known for transporting these viscous crudes which consist in fluidifying the crude by heating, or mixing it with a fluidifying product. Another technique currently used to facilitate the transport of heavy oils is their emulsification. The direct emulsification of a heavy crude consists in dispersing it in the form of droplets in water in order to reduce its viscosity. It is an effective technique to reduce the viscosity of these petroleum products and to make it compatible with in-line transport specifications [Rimmer D., Greogoli A., Hamshar J., Yildirim E., Pipeline emulsion transportation for heavy oils , in LL Schramm (Ed.), Emulsions Fundamentals and Applications in the Petroleum Industry, American Chemical Society, Washington DC, chapter 8, 295-312, 1992]. The possibilities of formulation are not only varied (addition or creation in situ of surfactants ...) but also reliable. They result in low viscosity and very stable emulsions which generally contain up to 70% by volume of crude.

Bien que déjà utilisée pour quelques gisements en Indonésie, au Venezuela et au Canada, la mise en émulsion des bruts lourds est une technologie nouvelle en plein développement. Elle met en jeu de nombreux paramètres dont les interactions sont complexes. La taille des gouttes est le paramètre clé à contrôler lors de la mise en émulsion des bruts lourds.  Although already used for some deposits in Indonesia, Venezuela and Canada, the emulsification of heavy crudes is a new technology in full development. It involves many parameters whose interactions are complex. The size of the drops is the key parameter to control during the emulsification of heavy crudes.

D'une part, il est préférable de fabriquer des émulsions avec des gouttes volumineuses pour réduire la viscosité et faciliter leur transport. D'autre part, les grosses gouttes coalescent plus aisément que les petites et rendent ces systèmes plus instables. . Il a déjà été tenté d'obtenir des informations sur des émulsions de pétrole brut (eau dans huile) par RMN (Résonance Magnétique Nucléaire). Mais, cela ne peut pas s'appliquer aux émulsions huile visqueuse dans l'eau.  On the one hand, it is preferable to make emulsions with bulky drops to reduce the viscosity and facilitate their transport. On the other hand, large drops coalesce more easily than small ones and make these systems more unstable. . It has already been attempted to obtain information on emulsions of crude oil (water in oil) by NMR (Nuclear Magnetic Resonance). But, this can not apply to viscous oil emulsions in water.

Malgré l'importance de connaître précisément, la granulométrie d'une telle émulsion, il est très difficile de caractériser correctement la taille des gouttelettes de bruts lourds émulsionnés dans l'eau. Ceci est du au fait que ces émulsions sont des émulsions concentrées (généralement supérieure à 60% en volume de brut dispersé dans l'eau), relativement visqueuses et noires. Elles peuvent être aussi très polydisperses. Les techniques classiques comme la diffusion de lumière ou la microscopie sont ici très peu efficaces pour caractériser la distribution en taille de ces émulsions aqueuses concentrées de bruts lourds. Pour illustrer ces difficultés, on peut se référer à la figure 1 qui représente une photo au MEB d'une émulsion de brut "Vénézuélien" 70/30 à pH=12. Il est clair que la caractérisation de cette émulsion est difficile à partir des images de microscopie, en raison de la polydispersité des tailles des gouttes, de la forte concentration en brut, et du faible contraste des images.  Despite the importance of knowing precisely the particle size of such an emulsion, it is very difficult to correctly characterize the size of the droplets of heavy crudes emulsified in water. This is because these emulsions are concentrated emulsions (generally greater than 60% by volume of crude dispersed in water), relatively viscous and black. They can also be very polydisperse. Conventional techniques such as light scattering or microscopy are here very little effective to characterize the size distribution of these concentrated aqueous emulsions of heavy crudes. To illustrate these difficulties, reference can be made to FIG. 1 which represents a SEM photo of a "Venezuelan" crude 70/30 emulsion at pH = 12. It is clear that the characterization of this emulsion is difficult from the microscopy images, due to the polydispersity of the drop sizes, the high concentration of crude, and the low contrast of the images.

En utilisant les techniques RMN classiques, la mesure du coefficient de diffusion d'un liquide contenu dans une goutte permet de déterminer la taille de celle-ci. Cela peut être appliqué en principe dans le cas d'une émulsion aqueuse d'huile. En effet, la technique RMN permet en général de mesurer le coefficient d'auto-diffusion d'un liquide en fonction du temps, c'est-à-dire en fonction de la distance moyenne parcourue par les molécules. Si le fluide n'est pas confiné dans un espace tel qu'une goutte, le coefficient de diffusion mesuré est indépendant du temps; par contre, dans un espace confiné, le coefficient de diffusion mesuré (ou effectif) diminue fortement lorsque le libre parcours moyen atteint la taille de la goutte et c'est cette information qui est utilisée. Dans le cas d'émulsion aqueuse d'huile visqueuse, l'application de la méthode standard décrite brièvement ci-dessus devient très difficile. Premièrement, la mesure du coefficient d'un liquide très visqueux pose des problèmes techniques sérieux car les molécules sont très peu mobiles et le signal RMN décroît trop rapidement pour permettre une mesure de diffusion pour des temps ou des distances suffisamment grands. Deuxièmement, le signal de l'eau contribue de manière importante et doit être éliminé, par exemple en utilisant de l'eau deutérée. Un tel procédé pose donc des problèmes pratiquement insolubles.  Using conventional NMR techniques, the measurement of the diffusion coefficient of a liquid contained in a drop makes it possible to determine the size thereof. This can be applied in principle in the case of an aqueous emulsion of oil. In fact, the NMR technique generally makes it possible to measure the self-diffusion coefficient of a liquid as a function of time, that is to say as a function of the average distance traveled by the molecules. If the fluid is not confined in a space such as a drop, the measured diffusion coefficient is time independent; on the other hand, in a confined space, the measured (or effective) diffusion coefficient decreases sharply when the average free path reaches the size of the drop and it is this information that is used. In the case of a viscous oil aqueous emulsion, the application of the standard method described briefly above becomes very difficult. First, the measurement of the coefficient of a highly viscous liquid poses serious technical problems because the molecules are not very mobile and the NMR signal decreases too rapidly to allow a diffusion measurement for sufficiently long times or distances. Secondly, the water signal contributes significantly and must be removed, for example by using deuterated water. Such a process therefore poses practically insoluble problems.

Dans le cadre de la présente invention, les émulsions aqueuses de brut lourd sont constituées par une phase continue eau, dans laquelle le brut lourd est en gouttelettes. D'une manière plus générale, l'émulsion aqueuse selon l'invention est constituée à partir d'hydrocarbures ayant une valeur de viscosité relativement contrastée par rapport à celle de la phase aqueuse, c'est-à-dire ayant une viscosité au moins supérieure à 100 centipoises en température ambiante, par exemple à 25 C.  In the context of the present invention, the aqueous emulsions of heavy crude are constituted by a continuous water phase, in which the heavy crude is in droplets. In a more general manner, the aqueous emulsion according to the invention consists of hydrocarbons having a relatively high viscosity value compared with that of the aqueous phase, that is to say having a viscosity of at least greater than 100 centipoise at room temperature, for example at 25 C.

Ainsi, la présente invention concerne une méthode de détermination d'au moins un paramètre caractéristique d'une émulsion constituée par un hydrocarbure dans une phase continue aqueuse, ledit hydrocarbure ayant une viscosité notablement différente de celle de ladite phase aqueuse, méthode dans laquelle on utilise la résonance magnétique nucléaire pour mesurer les distributions des temps de relaxation T2 de ladite émulsion par analyse d'un signal d'aimantation résultant d'une séquence de type CPMG, et en ce qu'à partir des distributions obtenues respectivement pour l'eau et l'huile, on détermine au moins un paramètre fonction d'une des caractéristiques de l'émulsion compris dans la liste suivante: - rapport volumique eau/huile; - taille moyenne des gouttes; - polydispersité des gouttes.  Thus, the present invention relates to a method for determining at least one characteristic parameter of a hydrocarbon emulsion in an aqueous continuous phase, said hydrocarbon having a viscosity significantly different from that of said aqueous phase, in which method is used. nuclear magnetic resonance for measuring the T2 relaxation time distributions of said emulsion by analysis of a magnetization signal resulting from a CPMG type sequence, and that from the distributions respectively obtained for the water and the oil, at least one parameter is determined according to one of the characteristics of the emulsion included in the following list: water / oil volume ratio; - average size of the drops; - polydispersity of the drops.

Selon la méthode, la distribution des temps de relaxation T2 de la phase continue aqueuse de ladite émulsion peut être analysée à partir de la 15 relation suivante: 1 1 S +p2 T2 T2B V où :S est la surface de l'espace entre les gouttes d'huile, V le volume de cet espace, T. le temps de relaxation de référence de l'eau hors émulsion, p2 (m/s) paramètre qui traduit l'intensité des interactions eau-huile.  According to the method, the distribution of the T2 relaxation times of the aqueous continuous phase of said emulsion can be analyzed from the following relation: ## EQU1 ## where: S is the area of space between drops of oil, V the volume of this space, T. the reference relaxation time of the water excluding emulsion, p2 (m / s) parameter which reflects the intensity of the water-oil interactions.

La taille moyenne des gouttes et le coefficient p2 peuvent être obtenus en déterminant le rapport S2./V, en mesurant le coefficient de diffusion Deff de la phase aqueuse en fonction du temps.  The average size of the drops and the coefficient p2 can be obtained by determining the ratio S2./V, by measuring the diffusion coefficient Deff of the aqueous phase as a function of time.

On peut effectuer une comparaison desdites distributions T2 avec les distributions obtenues à partir d'un échantillon d'émulsion dans lequel la phase continue a été remplacée par une phase aqueuse deutérée.  These T2 distributions can be compared with the distributions obtained from an emulsion sample in which the continuous phase has been replaced by a deuterated aqueous phase.

L'invention concerne également un dispositif de caractérisation d'un effluent émulsionné comportant: des moyens de prélèvement d'un échantillon d'émulsion en circulation dans une conduite de transport, des -30 moyens de mise en oeuvre de la méthode décrite ci-dessus, des moyens de contrôle de la qualité de l'émulsion en fonction du paramètre obtenu par ladite méthode.  The invention also relates to a device for characterizing an emulsified effluent comprising: means for sampling an emulsion sample circulating in a transport pipe, means for implementing the method described above. means for controlling the quality of the emulsion as a function of the parameter obtained by said method.

La présente méthode s'appuie donc sur l'analyse du signal de relaxation et diffusion de la phase continue eau. En effet, la relaxation magnétique nucléaire apporte une solution au problème de la détermination de la taille des gouttelettes d'émulsions de bruts lourds.  The present method is therefore based on the analysis of the relaxation and diffusion signal of the continuous water phase. In fact, nuclear magnetic relaxation provides a solution to the problem of determining the droplet size of heavy crude emulsions.

La présente invention sera mieux comprise et ses avantages apparaîtront plus clairement, à la lumière des exemples de mises en oeuvre ci-après décrits, nullement limitatifs, illustrés par les figures ci-après annexées parmi lesquelles: - la figure 1 représente une photo au microscope d'une émulsion brut lourd dans l'eau; - la figure 2 illustre une séquence d'écho stimulé pour la mesure des coefficients de diffusion; - la figure 3 représente la mesure des temps de relaxation sur de l'eau, de l'huile visqueuse, et sur une émulsion huile dans l'eau; - la figure 4 représente l'étalonnage des distributions de tailles par la 20 mesure du coefficient de diffusion; - la figure 5 montre un exemple de distribution de taille de gouttes après étalonnage des interactions eau/huile par la mesure de diffusion; - la figure 6 représente la mesure des temps de relaxation sur différentes émulsions.  The present invention will be better understood and its advantages will appear more clearly, in the light of the examples of implementations hereinafter described, in no way limiting, illustrated by the appended figures in which: FIG. 1 represents a photograph under a microscope a heavy crude emulsion in water; FIG. 2 illustrates a stimulated echo sequence for the measurement of diffusion coefficients; FIG. 3 represents the measurement of the relaxation times on water, of the viscous oil, and on an oil-in-water emulsion; FIG. 4 shows the calibration of the size distributions by the measurement of the diffusion coefficient; FIG. 5 shows an example of drop size distribution after calibration of the water / oil interactions by the diffusion measurement; - Figure 6 shows the measurement of the relaxation times on different emulsions.

La présente méthode selon l'invention a été testé sur différentes émulsions afin de la valider. Les émulsions ont été préparées à l'échelle du laboratoire avec le mode opératoire suivant: ^ Vitesse d'agitation: 13500 t/min ^ Temps d'agitation: 5 min. ^ Température: 60-70 C Un homogénéisateur a été utilisé pour le procédé de fabrication des émulsions. Il s'agit d'un appareil Ultra-Turrax T25, dont le principe est expliqué ci-après. En raison de la vitesse élevée du rotor, les deux liquides à émulsionner sont aspirés en direction axiale dans la tête dispersante de s l'appareil, ensuite en direction radiale dans l'entrefer rotor-stator. La présence d'encoches conduit à une turbulence importante qui garantit un mélange optimal. Le volume d'émulsion préparé est de 150 ml en respectant le rapport volumique huile/eau = 70/30. Ce volume permet d'immerger correctement la tige dispersante de l'Ultra-Turrax.  The present method according to the invention has been tested on different emulsions in order to validate it. The emulsions were prepared on a laboratory scale with the following procedure: Stirring speed: 13500 rpm. Stirring time: 5 min. ^ Temperature: 60-70 ° C A homogenizer was used for the emulsion manufacturing process. This is an Ultra-Turrax T25 device, the principle of which is explained below. Due to the high speed of the rotor, the two liquids to be emulsified are drawn axially into the dispersing head of the apparatus, then radially in the rotor-stator air gap. The presence of notches leads to significant turbulence that ensures optimal mixing. The volume of emulsion prepared is 150 ml, respecting the oil / water volume ratio = 70/30. This volume allows to properly immerse the dispersing rod of the Ultra-Turrax.

Les émulsions ont été réalisées avec deux bruts lourds différents: un brut lourd Vénézuélien et un brut lourd Canadien. De façon naturelle, un mélange de brut et d'eau forme une émulsion d'eau dans le brut (émulsion inverse). Il est en effet établi que les composés polaires contenus dans les bruts lourds leurs confèrent ce pouvoir émulsionnant, dispersant et stabilisant de l'eau à l'intérieur du brut. Pour former une émulsion concentrée de brut dans l'eau on peut utiliser deux voies: l'addition de bases ou de tensioactifs.  The emulsions were made with two different heavy crudes: a heavy Venezuelan crude and a heavy Canadian crude. In a natural way, a mixture of crude and water forms a water emulsion in the crude (inverse emulsion). It is indeed established that the polar compounds contained in the heavy crudes confer to them this emulsifying, dispersing and stabilizing power of the water inside the crude. To form a concentrated emulsion of crude in water can be used two ways: the addition of bases or surfactants.

L'eau utilisée est de l'eau milli Q au pH ajusté à 12,5 à l'aide d'une solution de soude (30%). Un pH basique permet de saponifier les acides présents dans le brut, créant ainsi des tensioactifs naturels permettant de former l'émulsion de brut dans l'eau.  The water used is water milli Q pH adjusted to 12.5 with a solution of soda (30%). A basic pH makes it possible to saponify the acids present in the crude, thus creating natural surfactants making it possible to form the crude emulsion in water.

On a également testé l'influence de l'ajout d'un tensioactif. Pour cela, on a choisi un tensioactif neutre, le Triton X405 (HLB = 18.6) (commercialisé par la société FLUKA), et un tensioactif ionique (anionique), le Sodium Dodecyl Sulfate SDS (HLB = 40). Chaque tensioactif est introduit à une concentration de 1% en masse dans l'eau. On peut étudier ainsi l'influence des charges présentes aux interfaces grâce au tensioactif ionique.  The influence of adding a surfactant was also tested. For this, we chose a neutral surfactant, Triton X405 (HLB = 18.6) (marketed by FLUKA), and an ionic surfactant (anionic), Sodium Dodecyl Sulfate SDS (HLB = 40). Each surfactant is introduced at a concentration of 1% by weight in water. We can thus study the influence of the charges present at the interfaces thanks to the ionic surfactant.

L'influence de la fraction volumique en huile est observée également en préparant une émulsion contenant 50% d'huile et 50% d'eau en volume.  The influence of the volume fraction in oil is also observed by preparing an emulsion containing 50% oil and 50% water by volume.

2864241 7 Enfin, on a testé l'influence de la vitesse d'agitation de l'émulsion, en utilisant le procédé décrit précédemment, tout en augmentant la vitesse d'agitation à 24000 t/min.  Finally, the influence of the stirring speed of the emulsion was tested using the process described above, while increasing the stirring speed to 24,000 rpm.

Le tableau suivant résume les différents essais effectués. Tableau 1 N essais Phase continue Phase dispersée Ratio Ultra Turax 1 Eau à pH=12 Vénézuélien 70/30 13000 t/min 2 Eau + 1% Triton Vénézuélien 70/30 13000 t/min 3 Eau + 1% SDS Vénézuélien 70/30 13000 t/min 4 Eau à pH=12 Canadien 70/30 13000 t/min Eau à pH=12 Vénézuélien 50/50 13000 t/min 6 Eau à pH=12 Vénézuélien 70/30 24000 t/min La méthode RMN proposée repose sur la mesure de la distribution lo des temps de relaxation de l'eau et de l'huile constituant l'émulsion aqueuse de brut lourd. Plusieurs caractéristiques peuvent en être extraites: - le rapport volumique eau/huile, - la granulométrie moyenne, - et une indication sur la polydispersité des gouttelettes.  The following table summarizes the various tests carried out. Table 1 N tests Continuous phase Scattered phase Ratio Ultra Turax 1 Water at pH = 12 Venezuelan 70/30 13000 rpm 2 Water + 1% Venezuelan Triton 70/30 13000 rpm 3 Water + 1% SDS Venezuelan 70/30 13000 t / min 4 Water at pH = 12 Canadian 70/30 13000 rpm Water at pH = 12 Venezuelan 50/50 13000 rpm 6 Water at pH = 12 Venezuelan 70/30 24000 rpm The proposed NMR method is based on measuring the distribution lo of the relaxation times of the water and the oil constituting the aqueous emulsion of heavy crude. Several characteristics can be extracted: - the volume ratio water / oil, - the average particle size, - and an indication on the polydispersity of the droplets.

Les interactions RMN de l'eau à la surface des gouttes d'huiles pour un type de brut sont évaluées à l'aide d'une expérience de diffusion telle que celle décrite plus haut mais dont l'interprétation est très différente.  The NMR interactions of water on the surface of oil drops for a type of crude are evaluated using a diffusion experiment such as that described above but whose interpretation is very different.

Un exemple de mesure sur l'émulsion 1 (Tableau 1) est reporté à la figure 3. Les trois distributions de temps de relaxation T2 ont été obtenues par analyse multiexponentielle du signal d'aimantation mesuré à l'aide d'une séquence CPMG standard. Les temps de relaxation élevés sont caractéristiques de l'eau (référence 1), tandis que les temps de relaxation faibles sont caractéristiques de l'huile (référencé 2). On montre pour comparaison les temps de relaxation de l'eau (1) et de l'huile (2) mesurés séparément avant la fabrication de l'émulsion (ligne 3 de la figure 3).  An example of measurement on emulsion 1 (Table 1) is shown in FIG. 3. The three T2 relaxation time distributions were obtained by multiexponential analysis of the magnetization signal measured using a standard CPMG sequence. . The high relaxation times are characteristic of water (reference 1), while the low relaxation times are characteristic of the oil (referenced 2). The relaxation times of the water (1) and the oil (2) measured separately before the manufacture of the emulsion are shown for comparison (line 3 of FIG. 3).

Pour l'huile visqueuse, le temps de relaxation est dominé par les interactions inter et intramoléculaires. Le temps de relaxation moyen dépend de la température T et de la viscosité r) (Dunn K.J., Bergman D.J. and G.A. La Torraca, "Nuclear Magnetic Resonance petrophysical and Logging Applications", Seismic Exploration Vol. 32, Pergamon, 2002.): 1 T T2 27 et la distribution observée traduit la complexité de l'huile en terme de masse moléculaire. Ce signal est exploité pour calculer la fraction volumique eau/huile (rapport des aires sous les courbes respectives de l'eau et de l'huile).  For viscous oil, the relaxation time is dominated by inter and intramolecular interactions. The average relaxation time depends on the temperature T and the viscosity r) (Dunn KJ, Bergman DJ and GA La Torraca, "Nuclear Magnetic Resonance Petrophysical and Logging Applications", Seismic Exploration Vol 32, Pergamon, 2002.): 1 T T2 27 and the observed distribution reflects the complexity of the oil in terms of molecular weight. This signal is used to calculate the volume fraction water / oil (ratio of areas under the respective curves of water and oil).

Pour l'eau de l'émulsion (référence 3), on constate que son temps de relaxation a fortement diminué par rapport à sa valeur avant fabrication de l'émulsion (de 2717 à 797 ms sur la figure 3). Cela indique une interaction de l'eau à la surface des gouttes d'huile. En effet, par diffusion, les protons de l'eau interagissent avec les protons aux interfaces eau-huile. Pour une huile peu visqueuse, les interactions eauhuile ne sont pas différentes des interactions entre molécules d'eau. Par contre, il a été constaté que ceci n'est pas vrai pour les bruts visqueux car l'huile peut être considéré comme un solide et contient des composants polaires. La relaxation de l'eau est analysée à l'aide de la relation fondamentale suivante: 1 1 S +p2 T2 T2B V où : S est la surface de l'espace entre les gouttes d'huile, V le volume de 25 cet espace, T2B le temps de relaxation de référence de l'eau hors émulsion, p2 (m/s) paramètre qui traduit l'intensité des interactions eau-huile. (3) (4)  For the water of the emulsion (reference 3), it can be seen that its relaxation time greatly decreased compared to its value before manufacture of the emulsion (from 2717 to 797 ms in FIG. 3). This indicates an interaction of water on the surface of the oil drops. Indeed, by diffusion, the protons of water interact with the protons at the water-oil interfaces. For a low-viscosity oil, the water-oil interactions are not different from the interactions between water molecules. On the other hand, it has been found that this is not true for viscous crudes because the oil can be considered as a solid and contains polar components. The relaxation of the water is analyzed by means of the following fundamental relation: ## EQU1 ## where: S is the surface of the space between the drops of oil, V the volume of this space , T2B the reference relaxation time of the water excluding emulsion, p2 (m / s) parameter which reflects the intensity of the water-oil interactions. (3) (4)

La relation 4, utilisée en milieux poreux (Godefroy, S., Korb, J.-P., Fleury M., Bryant, R. G., "Surface nuclear magnetic relaxation and dynamics of water and oil in macroporous media", Phys. Rev. E, 64 2001), est appliquée selon l'invention à une émulsion concentrée. Il faut remarquer que la relation 4 s'applique également au temps de relaxation longitudinal Ti mais on préfère utiliser T2 en pratique car sa mesure est bien plus rapide et adaptée à l'analyse des distributions de temps de relaxation. Essentiellement, la diffusion moléculaire permet au proton de. l'eau d'interagir avec la surface des gouttes d'huile pendant le temps de mesure (c'est le régime de diffusion rapide), mais elle ne permet pas le transport de ce proton dans l'espace voisin. La distribution des temps de relaxation T2, corrigé de la valeur T2B, traduit alors la distribution du rapport S/V des gouttes d'huiles. Celles-ci étant sphériques, elle traduit donc directement la distribution de tailles de gouttes (S/V=6/D), dans le cas où elles sont sensiblement monodisperses.  Relation 4, used in porous media (Godefroy, S., Korb, J.-P., Fleury M., Bryant, RG, "Surface nuclear magnetic relaxation and dynamics of water and oil in macroporous media", Phys. E, 64 2001), is applied according to the invention to a concentrated emulsion. It should be noted that the relation 4 also applies to the longitudinal relaxation time Ti, but it is preferred to use T2 in practice since its measurement is much faster and adapted to the analysis of the relaxation time distributions. Essentially, molecular diffusion allows the proton to. the water to interact with the surface of the oil drops during the measurement time (this is the fast diffusion regime), but it does not allow the transport of this proton in the neighboring space. The T2 relaxation time distribution, corrected by the T2B value, then reflects the S / V ratio distribution of the oil drops. These being spherical, it therefore directly translates the distribution of drop sizes (S / V = 6 / D), in the case where they are substantially monodisperse.

Un avantage important de la mesure CPMG est qu'elle est très rapide et robuste (de l'ordre de quelques minutes). On peut donc facilement étudier l'évolution dans le temps des émulsions.  A major advantage of the CPMG measurement is that it is very fast and robust (of the order of a few minutes). We can therefore easily study the evolution over time of emulsions.

La seconde étape consiste à étalonner la distribution de temps de relaxation T2 en déterminant le coefficient d'interaction p2. Pour cela, il faut une mesure indépendante du rapport S/V que l'on obtient par la mesure de la variation du coefficient de diffusion Deff de la phase aqueuse (et non de la phase dispersée) en fonction du temps.  The second step is to calibrate the T2 relaxation time distribution by determining the interaction coefficient p2. For this, a measurement independent of the S / V ratio is obtained by measuring the variation of the diffusion coefficient Deff of the aqueous phase (and not of the dispersed phase) as a function of time.

On effectue une mesure d'auto-diffusion du liquide autour des gouttes en utilisant, par exemple, la séquence RMN indiquée à la Figure 2. Sans entrer dans les détails de ces séquences (on peut citer en référence: Price W.S., "Pulsed-field gradient nuclear magnetic resonance as a tool for studying translationnal diffusion", Part I and II, Concept in Magnetic Resonance, Vol. 10(4), 1998), la méthode consiste essentièllement à coder le moment magnétique nucléaire avec un premier pulse de gradient_ (durée 8, amplitude g, Figure 2), à laisser évoluer le système pendant un temps A, puis à décoder de manière identique le système de spins nucléaires et enregistrer l'écho. Les molécules porteuses du moment magnétique nucléaire de l'espèce étudiée (proton) se déplace dans l'espace et provoque ainsi une atténuation de l'écho.  A measurement of self-diffusion of the liquid around the drops is carried out using, for example, the NMR sequence indicated in FIG. 2. Without going into the details of these sequences (reference may be made to: Price WS, "Pulsed- field gradient nuclear magnetic resonance as a tool for studying translational diffusion ", Part I and II, Concept in Magnetic Resonance, Vol 10 (4), 1998), the method essentially consists in coding the nuclear magnetic moment with a first gradient pulse. (duration 8, amplitude g, Figure 2), to let the system evolve for a time A, then to identically decode the nuclear spin system and record the echo. The molecules carrying the nuclear magnetic moment of the studied species (proton) move in space and thus causes an attenuation of the echo.

Le coefficient de diffusion effectif Deff peut être calculé par la relation: ln(E(k, A) ) = A- Deff k2 F (A - 8/3) (1) avec: A: temps entre gradients (temps de diffusion) k yg 8 (nombre d'onde) F: facteur de forme de l'impulsion A: constante dépendant de la relaxation E: intensité de l'écho Deff: coefficient de diffusion y: rapport gyromagnétique du proton (26752.02 radJs/Gauss) g: intensité du gradient (Gauss/cm) 8: durée du gradient En général, on fait varier k en agissant sur la valeur g pour déterminer par régression linéaire Deff à une valeur A fixe du temps de diffusion.  The effective diffusion coefficient Deff can be calculated by the relation: ln (E (k, A)) = A- Deff k2 F (A - 8/3) (1) with: A: time between gradients (diffusion time) k yg 8 (wavenumber) F: shape factor of the pulse A: relaxation-dependent constant E: echo intensity Deff: diffusion coefficient y: gyromagnetic ratio of the proton (26752.02 radJs / Gauss) g gradient intensity (Gauss / cm) 8: gradient duration In general, we vary k by acting on the value g to determine by linear regression Deff at a fixed value A of the diffusion time.

Cette mesure de Deff est utilisée pour déduire la surface totale ST des 25 gouttes d'huile présentes dans le système divisé par le volume total d'eau VT en interaction avec ces gouttes. Pour un liquide confiné, on a montré (Mitra, P.P., Sen, P.N., Schwartz, L.M., and Le Doussal, P., 1992, "Diffusion propagator as a probe of the structure of porous media" Physical Review Letters, v. 65, p. 3555) que les variations à faible temps du coefficient de 30 diffusion sont reliées au rapport ST/ VT par la relation suivante: 2864241 11 De (A) =1 4 T,/Dma + O(DD) D 9Ç VT La mesure de la courbe Deff(t) permet de déterminer le rapport S.,JVT, la taille moyenne des gouttes d'huiles. De manière plus générale, on peut montrer que la courbe de diffusion en fonction du temps peut être approchée par la relation suivante: \2 C LT L + (1 a) L Deff(LD) =1 (1a) VT L Dm (1 a)+CLT L +(1 a)i LD  This Deff measurement is used to deduce the total area ST of the oil drops present in the divided system by the total volume of water VT interacting with these drops. For a confined liquid, it has been shown (Mitra, PP, Sen, PN, Schwartz, LM, and Doussal, P., 1992, "Diffusion propagator as a probe of the structure of porous media" Physical Review Letters, v. 65 3555) that the short time variations of the diffusion coefficient are related to the ST / VT ratio by the following relation: ## EQU1 ## measuring the Deff (t) curve makes it possible to determine the ratio S., JVT, the average size of the oil drops. More generally, it can be shown that the diffusion curve as a function of time can be approximated by the following relation: ## EQU1 ## a) + CLT L + (1 a) i LD

VT (6) avec:VT (6) with:

Dm est le coefficient de diffusion moléculaire (sans confinement), LD est la longueur de diffusion (6Dmt)l'2, a est la valeur asymptotique du coefficient de diffusion (lorsque le libre parcours moyen des molécules excède plusieurs espaces entre gouttes), Lc est une longueur caractéristique du système.  Dm is the molecular diffusion coefficient (without confinement), LD is the diffusion length (6Dmt) the 2, a is the asymptotic value of the diffusion coefficient (when the average free path of the molecules exceeds several spaces between drops), Lc is a characteristic length of the system.

Il est préférable d'utiliser la relation (6) car les effets d'ordre 2 dans (5) ne sont pas négligeables au temps de diffusion réalisables en pratique. La relation (6) n'est pas issue d'un modèle physique mais provient d'une interpolation mathématique utilisant la méthode de Pade où on suppose que la pente à l'origine (t=0) est liée au rapport S,,JVT, (relation 5) et la valeur asymptotique est a. Le est un paramètre agissant sur la courbure.  It is preferable to use the relation (6) because the effects of order 2 in (5) are not negligible at the diffusion time realizable in practice. The relation (6) does not come from a physical model but comes from a mathematical interpolation using the method of Pade where we suppose that the slope at the origin (t = 0) is related to the ratio S ,, JVT , (relation 5) and the asymptotic value is a. The is a parameter acting on the curvature.

La courbe Deff(t) a été mesurée sur l'émulsion 1 (Figure 4) et ajustée suivant la relation (6) pour extraire les paramètres ST/ V T, Le et a. On trouve: ST/VT =0,42 m1, soit D=14,2 m Ce résultat est cohérent avec la taille des gouttes observées sur les photos prise au microscope électronique à balayage (Figure 1). (5)  The curve Deff (t) was measured on the emulsion 1 (FIG. 4) and adjusted according to the relation (6) to extract the parameters ST / V T, Le and a. We find: ST / VT = 0.42 m1, ie D = 14.2 m This result is consistent with the size of the drops observed in the photos taken with a scanning electron microscope (Figure 1). (5)

avec C = Pour montrer la sensibilité de la mesure, on a tracé la courbe correspondant à un diamètre moyen de 10 m (Figure 4), les autres paramètres Lc et a restant fixes. On constate une bonne sensibilité. Enfin, on peut calculer le paramètre d'interaction p2 (relation 4) permettant d'exprimer les temps de relaxation T2 en terme de tailles de gouttes: 1 1 vc-i P2 = -- II = 2.lum/s T2 T2B JIVT avec: T2=0,797 s, T2B=2,713 s (Figure 3) S,IVT=0,42 micron-' En extrayant le signal de l'eau de la distribution mesurée sur l'émulsion 1, on peut tracer la distribution de tailles de gouttes (Figure 5).  with C = To show the sensitivity of the measurement, we drew the curve corresponding to an average diameter of 10 m (Figure 4), the other parameters Lc and a remain fixed. There is a good sensitivity. Finally, we can calculate the interaction parameter p2 (relation 4) to express the T2 relaxation times in terms of drop sizes: 1 1 vc-i P2 = - II = 2.lum / s T2 T2B JIVT with: T2 = 0.797 s, T2B = 2.713 s (Figure 3) S, IVT = 0.42 micron. By extracting the water signal from the measured distribution on emulsion 1, the size distribution can be plotted. drops (Figure 5).

ExemplesExamples

Des mesures de relaxation ont été effectuées sur toutes les émulsions du tableau 1. La figure 6 donne les distribution des temps T2 (abscisse) en fonction des émulsions 1 à 6. Dans chaque cas, on obtient une valeur de la fraction huile-eau très proche de celle utilisée initialement lors de la fabrication des émulsions. On obtient 0,759, 0,666, 0,661, 0,718, 0, 475, 0,639 respectivement pour les émulsions 1, 2, 3, 4, 5 et 6.  Relaxation measurements were carried out on all the emulsions of Table 1. Figure 6 gives the distribution of the T2 times (abscissa) as a function of the emulsions 1 to 6. In each case, a very high value of the oil-water fraction is obtained. close to that used initially in the manufacture of emulsions. 0.759, 0.666, 0.661, 0.718, 0.475, 0.639, respectively, are obtained for emulsions 1, 2, 3, 4, 5 and 6.

Concernant la taille de goutte, on peut vérifier l'influence d'une vitesse élevée de l'homogénéisateur pour produire des gouttes plus petites, à 25 la comparaison de la mesure de T2=391 ms (émulsion 6), par rapport à l'émulsion 1 (T2=815 ms).  With regard to the drop size, the influence of a high homogenizer speed can be verified to produce smaller drops, compared to the measurement of T2 = 391 ms (emulsion 6), relative to the emulsion 1 (T2 = 815 ms).

On peut aussi constater qu'avec une fraction initiale de 50/50, pour une même nature d'huile et d'eau, on obtient des gouttes plus grandes (comparer les émulsions 1 et 5). (7)  It can also be seen that with an initial fraction of 50/50, for the same nature of oil and water, larger drops are obtained (compare emulsions 1 and 5). (7)

Cette méthode permet également d'apprécier l'effet d'ajout d'additif, par exemple de tensioactif (émulsions 2 et 3) par rapport à l'émulsion 1, sans additif.  This method also makes it possible to assess the effect of adding an additive, for example a surfactant (emulsions 2 and 3) with respect to emulsion 1, without additive.

Les distributions calculées pour les émulsion 5 et 6 montrent la présence d'un pic secondaire situé entre le pic dominant de l'eau et celui de l'huile. Cela est du, pour l'émulsion 5 à un taux d'eau important (50%), pour l'émulsion 6 à un brassage très important. Ce pic peut être interprété de deux manières: premièrement, il peut être associé à la présence de gouttes d'eau d'une taille de l'ordre du micron au sein des gouttes d'huile, deuxièmement il peut s'agir également d'espaces entre gouttes très petits traduisant une polydispersité très importante des gouttes d'huiles. Pour pouvoir choisir l'une ou l'autre interprétation, il suffit de remplacer la phase continue par une phase aqueuse de même nature mais deutérée, qui ne produit pas de signal de relaxation. Pour cela, on pourra par exemple injecter lentement cette phase à travers l'émulsion à l'aide d'un filtre semi-perméable à l'eau permettant de retenir la phase huile. La persistance ou non du pic secondaire permet alors de décider de l'existence de gouttes d'eau au sein des gouttes d'huiles.  The calculated distributions for emulsions 5 and 6 show the presence of a secondary peak located between the dominant peak of water and that of oil. This is, for the emulsion 5 at a high water level (50%), for the emulsion 6 at a very important stirring. This peak can be interpreted in two ways: first, it can be associated with the presence of drops of water of a size of the order of one micron within the drops of oil, secondly it can also be spaces between very small drops reflecting a very important polydispersity of oil drops. To be able to choose one or the other interpretation, it suffices to replace the continuous phase by an aqueous phase of the same nature but deuterated, which does not produce a relaxation signal. For this, we can for example slowly inject this phase through the emulsion with a water-permeable filter to retain the oil phase. The persistence or not of the secondary peak then makes it possible to decide the existence of drops of water within the drops of oils.

Les exemples montrent par ailleurs que la méthode s'applique à différents types de bruts. L'émulsion 4 fabriquée à partir d'un brut lourd canadien produit un signal de relaxation utilisable.  The examples also show that the method applies to different types of crudes. Emulsion 4 made from a Canadian heavy crude produces a usable relaxation signal.

Le type de tensioactif influence également la distribution de temps de relaxation mesurée et ainsi la taille de gouttes. Cependant, dans ces cas, on se rapproche de la valeur limite T2b et la méthode ne permet de déterminer que la taille moyenne. La distribution devient imprécise car la différence 1/T2-1/T2B devient sensible aux erreurs de mesure. Une solution consiste à travailler à température plus élevée (60 C au lieu de 30 C par exemple) ce qui a pour effet d'augmenter la valeur T2B et ainsi la gamme de mesure des espaces entre gouttes.  The type of surfactant also influences the measured relaxation time distribution and thus the drop size. However, in these cases, one approaches the limit value T2b and the method makes it possible to determine only the average size. The distribution becomes inaccurate because the difference 1 / T2-1 / T2B becomes sensitive to measurement errors. One solution is to work at a higher temperature (60 C instead of 30 C for example) which has the effect of increasing the value T2B and thus the measuring range of the spaces between drops.

La méthode selon l'invention est avantageusement mise en oeuvre par un appareil de mesure comprenant un dispositif RMN qui peut prélever, automatiquement ou non, un échantillon d'un effluent transporté par pipeline selon la technique de mise en émulsion d'un brut. L'analyse fournit par cet appareil est utilisée pour régler, ou contrôler, le processus de mise en émulsion pour le transport, par exemple par des réglages de débits, d'additifs, ou autres paramètres.  The method according to the invention is advantageously implemented by a measuring apparatus comprising an NMR device which can take, automatically or not, a sample of an effluent transported by pipeline according to the emulsification technique of a crude. The analysis provided by this apparatus is used to adjust, or control, the emulsification process for transport, for example by flow rate settings, additives, or other parameters.

Cet appareil peut être disposé proche de la conduite de transport et en communication avec l'émulsion par des conduits de dérivation.  This apparatus can be arranged close to the transport pipe and in communication with the emulsion by bypass ducts.

Claims (6)

REVENDICATIONS 1) Méthode de détermination d'au moins un paramètre caractéristique d'une émulsion constituée par un hydrocarbure dans une phase continue aqueuse, ledit hydrocarbure ayant une viscosité notablement différente de celle de ladite phase aqueuse, méthode dans laquelle on utilise la résonance magnétique nucléaire pour mesurer les distributions des temps de relaxation T2 de ladite émulsion par analyse d'un signal d'aimantation résultant d'une séquence de type CPMG, et en ce qu'à partir des distributions obtenues respectivement pour l'eau et l'huile, on détermine au moins un paramètre fonction d'une des caractéristiques de l'émulsion compris dans la liste suivante: - rapport volumique eau/huile; - taille moyenne des gouttes; - polydispersité des gouttes.  1) Method for determining at least one characteristic parameter of a hydrocarbon emulsion in an aqueous continuous phase, said hydrocarbon having a viscosity significantly different from that of said aqueous phase, method in which nuclear magnetic resonance is used for measuring the distributions of the T2 relaxation times of said emulsion by analysis of a magnetization signal resulting from a CPMG type sequence, and that from the distributions obtained respectively for water and oil, determines at least one parameter that is a function of one of the characteristics of the emulsion included in the following list: water / oil volume ratio; - average size of the drops; - polydispersity of the drops. 2) Méthode selon la revendication 1, dans laquelle la distribution des temps de relaxation T2 de la phase continue aqueuse de ladite émulsion est analysée à partir de la relation suivante: 1 1 S = +P2 T2 T2a V où :S est la surface de l'espace entre les gouttes d'huile, V le volume de cet espace, T. le temps de relaxation de référence de l'eau hors émulsion, p2 (m/s) paramètre qui traduit l'intensité des interactions eau-huile.  2) Method according to claim 1, wherein the distribution of the T2 relaxation times of the aqueous continuous phase of said emulsion is analyzed from the following relation: ## EQU1 ## where: S is the surface of the space between the drops of oil, V the volume of this space, T. the reference relaxation time of the water excluding emulsion, p2 (m / s) parameter which reflects the intensity of the water-oil interactions. 3) Méthode selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle on obtient la taille moyenne des gouttes et le coefficient p2 en déterminant le rapport S,,JVT en mesurant le coefficient de diffusion De, de la phase aqueuse en fonction du temps.  3) Method according to one of the preceding claims, wherein one obtains the average size of the drops and the coefficient p2 by determining the ratio S ,, JVT by measuring the De diffusion coefficient of the aqueous phase as a function of time. 4) Méthode selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle on effectue une comparaison desdites distributions T2 avec les distributions obtenues à partir d'un échantillon d'émulsion dans lequel la phase continue a été remplacée par une phase aqueuse deutérée.  4) Method according to one of the preceding claims, wherein a comparison of said T2 distributions with the distributions obtained from an emulsion sample in which the continuous phase has been replaced by a deuterated aqueous phase. 5) Dispositif de caractérisation d'un effluent émulsionné comportant: des moyens de prélèvement d'un échantillon d'émulsion en circulation dans une conduite de transport, des moyens de mise en oeuvre de la méthode selon l'une des revendications 1 à 4, des moyens de contrôle de la qualité de l'émulsion en fonction du paramètre obtenu par ladite méthode.  5) Device for characterizing an emulsified effluent comprising: means for sampling an emulsion sample circulating in a transport pipe, means for implementing the method according to one of claims 1 to 4, means for controlling the quality of the emulsion as a function of the parameter obtained by said method. 6) Application de la méthode selon d'une des revendications 1 à 4, à la caractérisation des émulsions aqueuses de bruts lourds, extra lourds, ou de résidus de distillation.  6) Application of the method according to one of claims 1 to 4, the characterization of aqueous emulsions of heavy crudes, extra heavy, or distillation residues.
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