BR112012017985B1 - aparelho para dispersar polímero solúvel em água - Google Patents

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Abstract

APARELHO PARA DISPERSAR POLÍMERO SOLÚVEL EM ÁGUA. É descrito um aparelho para dispersar um polímero solúvel em água incluindo um rotor equipado com facas, um estator fixo, sobre todo ou parte da periferia da câmara, um anel alimentado por um circuito de água secundária, caracterizado pelo fato das facas do rotor e o estator serem feitas de aço inoxidável austeno-ferrítico e onde o estator vem sob a forma de um cilíndro na parede da qual são cortadas fendas verticais produzidas na parte da altura da referida parede, as fendas tendo uma largura entre 150 e 700 micrômetros.

Description

[0001] Poliacrilamidas têm sido desenvolvidas há mais de 60 anos especificamente para operações de floculação. No entanto, desde a crise do petróleo de 1973, poliacrilamidas têm sido reconhecidas como tendo um poder de viscosidade considerável habilitando-as para serem usadas no melhoramento de recuperação de petróleo sozinha ou em combinação com surfactantes e álcalis.
[0002] Foi observado que poliacrilamidas têm o poder de reduzir a fricção em água ou solução aquosa, uma característica que significa que grandes volumes de água podem ser bombeados no mesmo equipamento, pela adição de pequenas quantidades (30 a 500 ppm) de polimero, ou que a energia consumida no bombeamento da mesma quantidade possa ser reduzida.
[0003] A redução da fricção foi descoberta por B.A.Toms em 1946 ("Toms' effect") e seu uso tem sido desenvolvido no campo do transporte de água ou suspensões aquosas (mistura água- óleo) , em operações de fraturamento, e vários processos de contato com água envolvendo alto poder de consumo (torpedos, combate a incêndios, corte com jato d'água, etc.)
DISSOLVENDO POLIACRILAMIDAS
[0004] Embora seja possivel usar poliacrilamidas na forma de pó em operações para reduzir a fricção, dissolve-la é relativamente dificil. Para padrão de pós com uma distribuição do tamanho das partículas abaixo de Imm o tempo de dissolução é cerca de uma hora em uma concentração de 5 gramas por litro. Seria, portanto, necessário para utilizações significativas ter um equipamento de grande escala disponível requerendo a um e ao mesmo tempo: Um investimento significativo, Um longo período de comissionamento, Uma área de terreno incompatível com o movimento do equipamento.
[0005] Esta necessidade de ter uma solução praticamente instantânea (menos do que 2 minutos, por exemplo) tem levado usuários a passar a usar poliacrilamidas em forma de emulsão que são capazes de serem dissolvidas, em condições apropriadas, em menos de 2 minutos (veja pedido de patente FR 0955555) . No entanto, requerimentos ambientais, particularmente em operações de fraturamento hidráulico, estão causando emulsões que contém hidrocarbonos e surfactantes para serem substituídos por polímeros em forma de pó que não contém tais componentes.
[0006] O requerente do pedido de patente PCT/EP2009/063961 descreve um método de fraturamento hidráulico que emprega um pedaço de equipamento para dissolver rapidamente um polímero em pó solúvel em água conhecido como "PSU", o equipamento também está sendo descrito pelo requerente no documento WO 2008/107492.
[0007] Através da trituração da poliacrilamida em um PSU deste tipo, é possível reduzir o tempo de dissolução para cerca de 15 minutos, em concentrações entre 10 e 20 gramas por litro. Além disso, a natureza compacta da instalação permite que ele seja empregado em estruturas de caminhões móveis. PSU (Unidade de fatiamento de polímero - Polymer Slicing Unit)
[0008] O PSU descrito no pedido de patente WO 2008/107492 é uma pedaço de um equipamento industrial que gira em uma baixa velocidade industrial (3,000 a 4,500 rotações por minuto) oferecendo assim a longevidade considerável, especialmente em operações de petróleo ou fraturamento.
[0009] A confiabilidade do equipamento é um ponto importante. Por exemplo, parar a introdução de polímeros em uma operação de fraturamento pode causar a produção de gás no poço por bloquear por decantação a areia utilizada.
[0010] A PSU basicamente compreende: Um cone para umedecer o polímero em pó, conectado a um circuito de entrada de água primária, Uma câmara para triturar o polímero disperso, incluindo um rotor associado com um estator, Na periferia da câmara, um anel alimentado por um circuito de água secundário que pulveriza água pressurizada e desobstrui as lâminas do estator.
[0011] O estator compreende placas de carboneto de tungsténio customizadas ou lâminas montadas por meio de espaçadores em um anel periférico.
[0012] Os documentos de patente US 6.000.840, US 5.156.344 e FR 2777804 Al revelam um anel de estator compreendendo uma pluraridade de aberturas. O anel do estator de US 5.156.344 está rodeado com um restritor compreendendo a mesma quantidade de aberturas como o anel do estator principal. A posição deste restritor pode ser ajustada de forma a abrir ou fechar completamente as aberturas do anel estator. Nenhum desses documentos menciona a largura das aberturas.
[0013] O rotor inclui placas de carboneto de tungsténio aparafusado ou soldado de modo a reduzir o desgaste durante estas operações.
[0014] Embora este sistema seja mecanicamente efetivo, existem duas limitações: é dificil trazer as placas do estator para menos do que 500 microns uma da outra uma vez que os espaçadores muito finos não têm o requisito de força mecânica, o material de ligação (cobalto ou niquel) não tem resistência de corrosão suficiente, particularmente na indústria do petróleo, onde as salmouras bombeadas contém quantidades muito grandes de sais (até 200.000 ppm) e sulfito de hidrogênio.
[0015] O problema que a invenção propõe-se a resolver é, portanto, o de melhorar a construção da PSU permitindo assim: moagem mais fina com utilização praticamente instantânea da solução de polimero como obtido com emulsões, maior resistência à corrosões, manter a vida de prateleira do estator e do rotor, uso do equipamento para muitos polímeros, tais como poliacrilamida, óxido de polietileno de alto peso molecular, goma xantana ou esclerogucana, goma guar, etc.
[0016] O Requerente observou que estes 4 objetivos foram atingidos através da utilização, para o fabricação do rotor e do estator, aços inoxidáveis, e particularmente o chamado "super duplex" austeno-ferritico ou aços austeniticos que têm superfície endurecida (nitretação à vácuo, "kolsterisation") e têm uma resistência mecânica elevada e resistência à corrosão forte em combinação com o uso, no estator, não de lâminas personalizadas, mas de fendas produzidas diretamente sobre um anel.
[0017] Em outras palavras, o objeto da invenção é um dispositivo para dispersar um polímero solúvel em água com uma distribuição de partículas de tamanho padrão abaixo de 1 milímetro compreendendo: - um cone de umedecimento no qual o polímero é medido, dito cone sendo conectado a um circuito de entrada de água primário, - na extremidade inferior do cone: - uma câmara de moagem e drenagem do polímero disperso compreendendo: - um rotor acionado por um motor e equipado com facas opcionalmente inclinadas em relação ao raio do rotor, - um estator, ° sobre toda ou parte da periferia da câmara, um anel alimentado por um circuito de água secundário, o anel comunicando com a câmara para a pulverização da água sob pressão para o estator
[0018] O aparelho é caracterizado pelas facas do rotor pelo menos parcialmente, e o estator, serem feitas de aço inoxidável selecionado entre os aços inoxidáveis austeno- ferríticos ou austeniticos e tratada por nitretação à vácuo ou por difusão de carbono e pelo fato do estator vir sob a forma de um cilindro na parede da qual estão dispostas fendas verticais produzidas na parte da altura da referida parede, as fendas tendo uma largura minima de 150 micrômetros, e com vantagem entre 150 e 700 micrômetros.
[0019] Em uma concretização preferencial, as fendas estão entre 10 e 50 mm em altura e estão localizadas equidistantes das bordas superior e inferior do cilindro. Onde uma grande altura da fenda está envolvida, estas serão cortadas em 2, 3 ou 4 partes.
[0020] De acordo com outra característica, as fendas estão espaçadas uniformemente umas das outras por uma distância entre 10 e 50 mm. Numa concretização particular, as paredes internas das fendas estão inclinadas de modo a criar arestas de corte em cada fenda.
[0021] De acordo com a invenção, o rotor e o estator podem ser feitos de materiais diferentes.
[0022] Em uma primeira concretização, eles são feitos de aço inoxidável austenitico 304L ou 316L nitretado à vácuo mas com taxas de desempenho e longevidade abaixo dos aços austeno- ferriticos.
[0023] Numa concretização preferida, eles são feitos de aço austeno-ferritico contendo pelo menos 20% em peso de Cr e pelo menos 5% em peso de Ni.
[0024] Entre os aços inoxidáveis austeno-ferriticos podem ser distinguidos os chamados aços "duplex"contendo cerca de 22% em peso de Cr e cerca de 5% em peso de Ni e os chamados aços "super duplex" que contêm entre 24 e 26% em peso de Cr e de 6 a 8% em peso de Ni.
[0025] De acordo com uma concretização aperfeiçoada, os aços austeno-ferriticos são "kolsterised", em outras palavras, tratados por difusão de carbono, tal como explicado abaixo.
[0026] Vantajosamente, o aço austeno-ferritico selecionado tem uma das seguintes duas composições:
Figure img0001
[0027] As propriedades mecânicas desses aços são muito superiores aos aços inoxidáveis 304L ou 316L e são as seguintes:
Figure img0002
[0028] O carboneto de tungsténio tem características mecânicas superiores aos da classe super duplex, mas aqueles da classe super duplex são suficientemente elevadas em relação à dureza do grão de poliacrilamida para permitir uma grande longevidade dos rotores e estatores.
[0029] Além disso, depois da usinagem, a super duplex ou duplex podem ser tratadas de modo a aumentar a dureza da superfície por 'kolsterising' sobre uma espessura de 20 a 30 microns, sem danificar a resistência à corrosão e sem alterar a geometria das peças e alcançar Rm superior a 1000.
[0030] Tratamento Kolsterisation® é um método para a modificação da superfície da estrutura de aços inoxidáveis. Ele compreende uma quantidade grande de difusão de carbono a partir da superfície para o centro do material, sem adição de elementos externos e sem fabricação carboneto de cromo. Este tratamento é aplicado em fase gasosa e em baixa temperatura e pode ser usado para tratar qualquer forma incluindo fendas, tais como aquelas em PSU. Este tratamento é eficaz até temperaturas de 300 °C e pH acima de 2. Este método permite a resistência à fadiga e à corrosão, a eliminação de apreensão, taxas de dureza muito elevada, mantendo não-magnetismo.
[0031] É bastante evidente que super duplex é o material mais resistente, mas é possível, como já foi dito, usar aços duplex com 20% de cromo ou aços inoxidáveis padrão 304L ou 316L nitretados à vácuo, mas com um desempenho e taxas de longevidade inferiores.
[0032] Como já foi dito, a construção PSU é dificil com lacunas de placas de menos de 500 microns, foi necessário usar uma outra tecnologia para uma moagem muito fina do polímero.
[0033] Para o estator, uma escolha foi feita para usar um anel ou cilindro com o mesmo diâmetro interno, tal como o PSU em que fendas são cortadas com um corte de jato de água de geração mais recente capaz de formar fendas com uma largura mínima de 150 microns com um jato unitário e de qualquer outra largura com um jato duplo. Este estator deve ter um elevado nível de rigidez e tem a vantagem de pelo menos lOmm até 20mm de espessura de modo a não perder a precisão do corte. Além disso, é possível com equipamentos de jato de água de alta precisão fazer cortes cônicos que permitem melhor ejeção do polímero moído.
[0034] Na prática, o corte é feito utilizando uma máquina de corte com um jato de água de alta pressão contendo um abrasivo, a uma pressão entre 2.000 x 105 e 5.000 x 105 Pa, e preferencialmente entre 3.000 x 105 e 4.000 x 105 Pa.
[0035] Uma espessura pequena é, obviamente, possível, mas provoca distorções e fraturas, no médio prazo, particularmente como uma função da inevitável irritação causada pela moagem do polímero.
[0036] Corte também pode ser realizado através de laser, mas sobre espessura pequena, mas o efeito térmico cria distorções permanentes e manchas ásperas nas fendas para cortar tornando- o obrigatório encher a parte após o corte.
[0037] O número de fendas no estator varia de acordo com o seu diâmetro. Na prática, está entre 50 e 300.
[0038] De acordo com uma característica básica da invenção, as facas do rotor são pelo menos parcialmente feitas de aço inoxidável tratados à vácuo ou austeno-ferritico "kolsterised" ou de aço inoxidável austenitico.
[0039] Numa primeira concretização, o rotor compreende um transportador na superfície do qual as facas são formadas por moagem. Neste caso, o rotor é feito na sua totalidade por um dos materiais acima mencionados.
[0040] Numa segunda concretização, o rotor compreende um transportador maquinado feito de um dos materiais previamente descritos para o qual são adicionadas placas de carboneto de tungsténio ou de aço inoxidável endurecido por tratamento térmico.
[0041] Em ambos os casos, a manutenção pode ser aplicada para recuperar as distâncias rotor-estator por usinar o interior do estator para um diâmetro maior. No que tange ao rotor é possivel: *Ou alterar as placas para se adaptar ao diâmetro novo, *Ou carregar a solda do rotor sólido o qual é depois rodado para dar o diâmetro de corte necessário.
[0042] O rotor está equipado com entre 2 e 20 facas, e com vantagem mecânica entre 4 e 12. No entanto, dependendo do diâmetro do rotor, o número de facas pode variar. Como um exemplo, é 9 para um diâmetro de rotor de 200 milímetros
[0043] Além disso, e de acordo com outra característica, as facas podem ser mais ou menos inclinadas em relação ao raio do rotor. Vantajosamente, esta inclinação está entre 1 e 15°, e de preferência entre 2 e 10°.
[0044] Para permitir a moagem efetiva, a distância separando as facas do rotor das lâminas do estator está entre 50 e 300 microns e, de preferência entre 100 e 200 microns, na prática, cerca de 100 microns.
[0045] Obviamente, reduzindo a largura das fendas reduz o fluxo de saida do pó e água de cada aparelho que pode ser parcialmente restaurado aumentando a velocidade do rotor até ao limite industrial de 4.500 rotações por minuto.
[0046] Como já mencionado, o desenho do estator permite que o polímero seja moido mais finamente em relação ao dispositivo descrito no documento WO 2008/107492 onde o espaço entre cada lâmina personalizada não poderia, na prática, ser inferior a 500 micrômetros sem uma redução muito significativa da longevidade do aparelho.
[0047] Em outras palavras, um outro objeto da invenção é a utilização do aparelho para dissolver da invenção em uma instalação para a implementação de um método de fraturamento hidráulico de poço de petróleo ou gás, de recuperação melhorada de petróleo, floculação, preparação de soluções cosméticas ou produtos de uso doméstico. É ainda possivel reduzir significativamente o número de peças para serem usinadas e a complexidade da montagem.
[0048] Para todos estes métodos, mesmo se a dissolução não for completa na injeção, ela pode ocorrer nas poucas dezenas de segundos após a injeção, quer diretamente no tubo, ou na mistura a ser tratada.
[0049] A invenção e as vantagens dai resultantes ficarão mais claras a partir dos exemplos seguintes suportados pelas figuras anexas. Figura 1 é uma vista lateral esquemática do aparelho da invenção. Figura 2 é uma vista em seção transversal ao longo da linha AA '. Figura 3 1 é uma vista do rotor do aparelho da invenção de acordo com uma primeira concretização. Figura 4 2 é uma vista do rotor do dispositivo da invenção de acordo com uma segunda concretização. Figura 5 é uma vista do estator do aparelho da invenção descrito no documento WO 2008/107492. Figura 6 é a vista do estator de acordo com o aparelho da invenção.
[0050] De acordo com a figura 1, o aparelho da invenção compreende: um cone de umedecimento (1) conectado no seu topo em uma coluna (2) medindo o polimero de distribuição de tamanho de partícula padrão, mais frequentemente do que por meio de um parafuso de dosagem, o cone (1) sendo ligado na sua parte inferior em um circuito de entrada de água primário (3) que alimenta um transbordamento (4); na extremidade inferior do cone, uma montagem (5) compreendendo: ° uma câmara de moagem e de drenagem (6) (figura 2) do polimero disperso compreendendo: * um rotor (7) acionado por um motor (8) equipado com facas (9) , * um estator (10), ° sobre toda ou parte da periferia da câmara, um anel (11) alimentado por um circuito de água secundário (12), o anel (11) comunicando com a câmara (6) através de fendas (13) para a pulverização de água pressurizada para o estator (10).
[0051] Na figura 3.1, o rotor do aparelho da invenção tem sido mostrado. Figura 3.1 a é uma vista expandida do rotor denotado pela referência geral (7), enquanto que a figura 3,1 b é uma vista da peça finalizada.
[0052] O rotor inclui um disco de transporte de compósito resistente à corrosão (14) sobre a qual são moidos 9 facas inclinadas (15) feitas de super duplex com a seguinte composição:
Figure img0003
[0053] As facas (15) são protegidas por um casquilho (16) adicionado a parte superior das mesmas.
[0054] Nas figuras 3.2 (a) e 3.2 (b), uma construção alternativa do rotor tem sido mostrada. Ela inclui um carregador rotativo maquinado (14) feito de aço inoxidável (super duplex, 304, 316) para o qual são fixadas as placas (15-1) feitas de carboneto de tungsténio ou de aço inoxidável endurecido por tratamento térmico.
[0055] Na figura 4, o estator tem sido mostrado como ele é implementado nas PSUs descritas no documento WO 2008/107492, agora viável comercialmente. Como mostrado na figura 4a, o estator (17) está instalado, separado das juntas de vedação (18) com basicamente 4 elementos, respectivamente: um casguilho inferior (19), um casguilho superior (20), um anel ranhurado central (21) suportando as placas (22), O estator tal como (23) consistem de lâminas personalizadas (24) feitas de carboneto de tungsténio, separadas por espaçadores, moido em parte (18) e não apresentado.
[0056] Os casquilhos (19) e (20) estão associados uma com a outra de modo que, em combinação com a parte (21), as lâminas (24) podem ser mantidas na posição.
[0057] Na figura 5 tem sido mostrado o estator de acordo com o da invenção. Este estator, denotado pela referência geral (26), compreende uma peça única de espessura igual a 10 mm, provido com fendas (29) feitas com um jato de água unitário a uma pressão muito elevada (3000 x 105 a 4000 x 105 Pa) . A largura de cada uma das fendas é de 200 microns. Como é mostrado na figura, as fendas são distribuídas equidistante das bordas superior e inferior do cilindro (28) . A distância de separação de cada fenda é de 300 microns.
[0058] A parte (28) é feita de acordo com a invenção fora da super duplex com a seguinte composição:
Figure img0004
[0059] Todas as características dimensionais do rotor e do estator do PSU do estado da técnica e do PSU da invenção, bem como as características de funcionamento que permitem que o polímero se dissolva são dadas na tabela a seguir: Tabela 1:
Figure img0005
Figure img0006
[0060] Por conseguinte, é possível incidentalmente com tal equipamento para dissolução normalmente de tanques, necessários para dissolver poliacrilamidas em formas de pó a serem eliminadas e para o polímero a ser injetado diretamente.
[0061] Em particular, nas operações de fraturamento, os polímeros são misturados num misturador por um período compreendido entre 1 e 2 minutos, apanhado por uma bomba centrífuga para suprir a bomba triplex que injeta a mistura fraturada. Os tempos de mistura são suficientes para permitir tal operação on line.
[0062] O tamanho dos aparelhos utilizando nesta tecnologia pode ser modular (100, 300, 600, 1200 kg / hora). Este tipo de equipamento pode obviamente ser usado: Para polímeros de diferentes composições tais como óxidos de polietileno de alto peso molecular, gomas xantana ou escleroglucana, goma guar etc. Para outros usos como floculação com dissolução on-line, recuperação melhorada de petróleo, constituição de soluções cosméticas ou produtos para o lar. Com pós de diversas distribuições de tamanho de partículas prevenindo a formação de olhos de peixe na dispersão.

Claims (9)

1. Aparelho para dispersar polímero solúvel em água com um padrão de distribuição de tamanho de partícula abaixo de 1 milímetro compreendendo: um cone de umedecimento (1) no qual o polímero é medido, dito cone sendo conectado a um circuito de entrada de água primário (3), na extremidade inferior do cone: - uma câmara de moagem e drenagem (6) do polímero disperso compreendendo: - um rotor (7) acionado por um motor (8) e equipado com facas (9, 15) inclinadas em relação ao raio do rotor, - um estator (10, 23) fixado, ° sobre toda ou parte da periferia da câmara, um anel (11) alimentado por um circuito de água secundário (12), o anel (11) comunicando com a câmara (6) para assegurar que a água pressurizada é pulverizada em direção ao estator (10, 23), caracterizado por as facas (9, 15) do rotor (7) pelo menos, parcialmente, e o estator (10, 23) serem feitos de um aço inoxidável selecionado entre os aços inoxidáveis austeno- ferríticos ou austenitico e tratados através de nitretação à vácuo ou por difusão de carbono e onde o estator (10, 23) vem sob a forma de um cilindro na parede da qual são cortadas fendas (13) verticais feitas sob parte da altura da referida parede, as fendas com uma largura entre 150 e 700 micrômetros.
2. Aparelho de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de o estator (10, 23) ser cortado por corte com um jato de água de muita alta pressão contendo um abrasivo, a uma pressão entre 200 e 500 MPa, e preferencialmente entre 300 e 400 MPa.
3. Aparelho de acordo com a reivindicação 1 caracterizado pelo fato de o aço inoxidável austeno-ferritico conter 22% em peso de Cr e 5% em peso de Ni.
4. Aparelho de acordo com a reivindicação 1 caracterizado pelo fato de o aço inoxidável austeno-ferritico possuir uma das duas seguintes composições:
Figure img0007
5. Aparelho de acordo com a reivindicação 1 caracterizado pelo fato de as facas (9, 15) do rotor (7) e o estator (10, 23) serem ainda tratadas por difusão de carbono a partir da superfície em direção ao centro do material.
6. Aparelho de acordo com a reivindicação 1 caracterizado pelo fato de o rotor (7) compreender um transportador na superfície onde as facas (9, 15) são formadas por moagem, a unidade inteira sendo feita do dito aço inoxidável.
7. Aparelho de acordo com a reivindicação 1 caracterizado pelo fato de o rotor (7) compreender um transportador maquinado feito de aço austeno-ferritico ou austenitico tratado por nitretação à vácuo ou por difusão de carbono ao qual são adicionados placas (15-1) feitas de carboneto de tungsténio ou de aço inoxidável endurecido por tratamento térmico.
8. Aparelho de acordo com a reivindicação 1 caracterizado pelo fato de as fendas (13) do estator (10, 23) estarem uniformemente espaçadas umas das outras por uma distância entre 10 e 50 mm.
9. Aparelho de acordo com a reivindicação 1 caracterizado pelo fato de a distância que separa as facas (9, 15) do rotor (7) das fendas (13) no estator (10, 23) estar entre 50 e 300 microns e, preferencialmente entre 100 e 200 microns, ainda mais preferencialmente 100 microns.
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