EP3724131A1 - Procede de traitement par flottation d'une solution aqueuse issue d'une production petroliere - Google Patents

Procede de traitement par flottation d'une solution aqueuse issue d'une production petroliere

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EP3724131A1
EP3724131A1 EP18796976.1A EP18796976A EP3724131A1 EP 3724131 A1 EP3724131 A1 EP 3724131A1 EP 18796976 A EP18796976 A EP 18796976A EP 3724131 A1 EP3724131 A1 EP 3724131A1
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EP
European Patent Office
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oil
aqueous solution
flotation
concentration
salt
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP18796976.1A
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Inventor
Hafssa CHAKIBI
Isabelle Henaut
Jean-Francois Argillier
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IFP Energies Nouvelles IFPEN
Original Assignee
IFP Energies Nouvelles IFPEN
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Filing date
Publication date
Application filed by IFP Energies Nouvelles IFPEN filed Critical IFP Energies Nouvelles IFPEN
Publication of EP3724131A1 publication Critical patent/EP3724131A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F1/24—Treatment of water, waste water, or sewage by flotation
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D17/00—Separation of liquids, not provided for elsewhere, e.g. by thermal diffusion
    • B01D17/02—Separation of non-miscible liquids
    • B01D17/0205—Separation of non-miscible liquids by gas bubbles or moving solids
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    • B01D17/02—Separation of non-miscible liquids
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    • B01D17/047—Breaking emulsions with separation aids
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    • C02F2101/30—Organic compounds
    • C02F2101/301—Detergents, surfactants
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    • C02F2103/36—Nature of the water, waste water, sewage or sludge to be treated from industrial activities not provided for in groups C02F2103/12 - C02F2103/32 from the manufacture of organic compounds
    • C02F2103/365—Nature of the water, waste water, sewage or sludge to be treated from industrial activities not provided for in groups C02F2103/12 - C02F2103/32 from the manufacture of organic compounds from petrochemical industry (e.g. refineries)
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F2303/00—Specific treatment goals
    • C02F2303/08—Corrosion inhibition

Definitions

  • the present invention relates to the field of treatment of an aqueous solution comprising at least one dispersed oil phase in the form of drops, the oil being in particular a crude oil resulting from oil production.
  • the present invention applies to the treatment of a production water resulting from a first water / oil separation step applied to a petroleum effluent, the effluent being for example derived from an enhanced recovery of trapped hydrocarbons. in an underground formation.
  • the present invention can also be applied directly to a petroleum effluent, when this effluent is very predominantly aqueous.
  • an enhanced recovery operation for hydrocarbons trapped within a geological reservoir comprises injecting a flushing fluid into an injector well, the flushing fluid flushing fluids trapped in the porous medium of the geological reservoir to at least a production well.
  • the production well of a production well is crowned at the surface by the installation of a wellhead from where a surface flowline ("flowline") which collects the petroleum effluent thus produced.
  • This fluid is a mixture comprising a part of the hydrocarbons present in the formation (in the form of oil and gas), components of the sweeping fluid (such as polymers, surfactants, and / or alkaline compounds as in the case of the chemical EOR), and water (possibly in the form of brine).
  • the "flowline” generally conducts the petroleum effluent to a treatment plant that may include means for mixing, dilution, separation and / or treatment of oil, water and gas.
  • a treatment plant that may include means for mixing, dilution, separation and / or treatment of oil, water and gas.
  • the first step in the treatment of petroleum effluents consists in separating water and oil in a gravitational manner (for example by means of a di- or triphasic separation process, or of a "Free-Water” type equipment Knock-Out ").
  • the oil thus recovered is directed to desalination and dehydration processes.
  • the discharge fluid also called production water
  • the discharge fluid is a substantially aqueous fluid, but it usually still includes oil drops and impurities.
  • the water is directed to water treatment processes.
  • a standard quality water is evacuated or (re) injected by a suitable well into an underground formation.
  • One known method for the treatment of production water is the flotation technique, as described for example in the document (Moosai and Dawe, 2003: Moosai, Roshni & Dawe, Richard (2003).) Gas attachment of oil droplets Separation and Purification Technology, 33 (3), 303-314, Separation and Purification Technology, 33303-314, 10.1016 / S1383-5866 (03) 00091 -1).
  • This technique consists of collecting at least a portion of the oil droplets dispersed in the aqueous phase, for example via the injection of a gas into the production water.
  • the set of gas bubbles and oil droplets thus formed has a density much lower than that of the oil droplets alone, which greatly accelerates the oil / water separation by gravitational effect.
  • the collection of oil drops by flotation is sometimes slow or inefficient.
  • the present invention aims to improve the efficiency and speed of the flotation separation of the oil and water phases present in an aqueous solution comprising drops of oil in dispersed form, such as production water.
  • the process according to the invention comprises a step consisting of adding at least tetravalent cations in the production water, prior to the oil / water flotation separation step.
  • the invention relates to a process for the treatment of an aqueous solution comprising at least one dispersed oil phase in the form of drops in an aqueous phase, said oil being a crude petroleum oil.
  • the invention comprises at least the following steps:
  • said oil phase is separated by flotation from said aqueous phase present in said aqueous solution in which at least said salt has been added.
  • said concentration can be predetermined so that the zeta potential of said oil drops is between -20mV and + 20mV.
  • said concentration can be predetermined so that the zeta potential of said oil drops is between -1 OmV and +1 OmV.
  • the tetravalent salt may be a zirconium salt.
  • the zirconium salt may be a zirconium chloride.
  • At least one anti-corrosion agent may be injected simultaneously with said zirconium chloride.
  • said tetravalent salt concentration may be between 0.05 ppm and 50 ppm.
  • said flotation can be carried out at least by means of injecting a gas into said aqueous solution.
  • said injected gas may be nitrogen.
  • said flotation can be carried out at least by means of a depressurization of said aqueous solution.
  • said aqueous solution may further comprise a surfactant.
  • said aqueous solution may be a production water.
  • said aqueous solution may be a production effluent whose oil-to-water ratio is greater than 98%.
  • a step of primary separation of said phases present in said effluent can be carried out beforehand, by means of a separation of gravitational type, by centrifugation, or by hydrocyclone.
  • FIG. 1 shows the evolution of the Ct / Cinit ratio as a function of the time of injection of the gas into a flotation cell, in the case of an aqueous solution sample comprising a tetravalent salt (curve C2) and in the case without tetravalent salt (curve C1).
  • Figure 2 shows the evolution of the zeta potential (ZP) of the oil drops as a function of the concentration of zirconium chloride ([ZRCL4]) in an aqueous solution.
  • FIG. 3 shows the evolution of the Ct / Cinit ratio as a function of time t, in the case where no tetravalent salt is injected into an aqueous solution (curve C1), and in the case where a zirconium chloride is added to the aqueous solution in a concentration equal to 0.5 ppm (curve C2).
  • Figure 4 shows the evolution of the Ct / Cinit ratio as a function of time, in the case where no tetravalent salt is injected into a production water sample (curve C1), and in the case where the zirconium chloride is injected in a concentration equal to 13 ppm (curve C2).
  • Oil effluent in the sense of the present invention, it is a fluid recovered from at least one production well during a process for the enhanced recovery of hydrocarbons from a geological reservoir.
  • This fluid is a mixture comprising a part of the hydrocarbons present in the formation (including at least part of the hydrocarbons present in the geological reservoir in the form of an oil), optionally components of the sweeping fluid (such as surfactants, alkaline compounds as in the case of chemical EOR, etc.) and water (optionally in brine form) from the sweep fluid and / or the geological reservoir.
  • the oil effluent is generally in the form of a mixture of water and oil.
  • the proportion of water with respect to the oil (or "watercut") of the petroleum effluent may for example be between 5 and 99%, and generally changes depending on the production time of the field;
  • Production water in the sense of the present invention, it is a fluid from a first oil / water separation step applied to a production effluent.
  • Production water is generally characterized by a low proportion of residual oil relative to the aqueous phase, generally less than 1%;
  • the present invention relates to a process for the treatment of an aqueous solution comprising at least one dispersed oil phase in the form of drops in the aqueous solution. More specifically, the present invention relates to the separation of the oil and water phases of an aqueous solution.
  • the oil is a crude oil.
  • the process according to the invention relates to the treatment of an aqueous solution resulting from an assisted hydrocarbon recovery operation within a geological formation.
  • the aqueous solution according to the invention is a production water.
  • the aqueous solution according to the invention is a production effluent whose water / oil ratio is at least 98%.
  • a production effluent having such a watercut may have been obtained after a primary separation of the phases present in the effluent, carried out for example by means of a gravitational type separation, by centrifugation, or by hydrocyclone.
  • the method according to the invention comprises at least the following steps:
  • At least one tetravalent salt is added to the aqueous solution to be treated in a predetermined concentration
  • the process according to the invention aims to improve the separation of the oil and water phases present in an aqueous solution, by adding, prior to the implementation of a flotation process, a tetravalent salt in the aqueous solution to be treated.
  • the flotation is implemented by an injection of a gas into the aqueous solution to be treated (so-called "Induced Gas Flotation" process).
  • the injected gas may be air, nitrogen or a gas available on the site (natural gas for example).
  • the flotation can be carried out by depressurizing the vapor solubilized gas (so-called "Dissolved Gas Flotation"process); this depressurization can be carried out by means of a double inlet pump, allowing, for example, mixing the aqueous solution with steam.
  • a double inlet pump allowing, for example, mixing the aqueous solution with steam.
  • the addition of a tetravalent salt in an aqueous solution comprising dispersed oil drops makes it possible to lower the zeta potential of these oil drops.
  • the electrostatic repulsions between the drops of oil and the bubbles of gas generated by flotation in the aqueous solution during step 2 are then reduced, which allows the oil drops to adhere to the bubbles generated by flotation, promoting their rise to the surface.
  • the method according to the invention makes the flotation step faster and more efficient.
  • the concentration according to which the tetravalent salt is added is predetermined so that the zeta potential of the drops of oil dispersed in the aqueous phase is between -20mV and + 20mV.
  • a zeta potential included in such a range allows an effective and rapid separation of the oil and water phases present in an aqueous solution, as demonstrated in the application examples below.
  • the concentration according to which the tetravalent salt is added is predetermined so that the zeta potential of the drops of oil dispersed in the aqueous phase is between -10mV and + 10mV.
  • a zeta potential included in such a range allows even more efficient and rapid separation of oil and water phases present in an aqueous solution, as demonstrated in the application examples below.
  • the number of experiments can be reduced in order to reach the desired zeta potential by using a dichotomy method to explore the range of possible concentrations.
  • zeta potential measurements are carried out for the two extreme values of the range of concentrations (for example for the concentrations of 0.5 ppm and 50 ppm in tetravalent salt (s) ( s)) and a median value (advantageously the median value is chosen by considering a logarithmic scale).
  • the aqueous solution may further contain at least one surfactant.
  • the surfactant is chosen from anionic surfactants or a mixture of anionic surfactants containing in particular a sulphonate surfactant, such as an alkylbenzosulphonate (called ABS), an internai olefin sulphonate (called IOS ), an alkyl glyceryl ether sulfonate (AGES) or an alkyl ether sulfate (AES), a carboxy- or sulfobetaine.
  • ABS alkylbenzosulphonate
  • IOS internai olefin sulphonate
  • IOS internai olefin sulphonate
  • AES alkyl glyceryl ether sulfonate
  • carboxy- or sulfobetaine such as an alkylbenzosulphonate (called IOS), an internai olefin sulphonate (called
  • the present invention improves the effectiveness of flotation even in the case where the aqueous solution to be treated comprises a surfactant.
  • the tetravalent salt is a zirconium salt, such as a zirconium chloride, a zirconium sulphate, a zirconium hydroxide or a zirconium acetate.
  • zirconium salts such as a zirconium chloride, a zirconium sulphate, a zirconium hydroxide or a zirconium acetate.
  • the zirconium salt is zirconium chloride.
  • This salt has the advantage of having a low environmental impact. However, this salt can however cause some corrosion of metals depending on its concentration.
  • at least one anti-corrosion agent can be injected simultaneously with the solution into zirconium chloride. aqueous.
  • the process according to the invention may further comprise a step of treating the gas resulting from a primary separation of the phases, carried out by means of, for example, a gravitational type separation, by centrifugation or by hydrocyclone.
  • the treatment method according to the invention applied to a petroleum effluent may comprise a first stage of primary phase separation, carried out by means of, for example, a gravitational type separation, by centrifugation or by hydrocyclone.
  • the treatment method according to the invention applied to a petroleum effluent may comprise oil treatment steps, such as dehydration, desalting, etc. stages.
  • samples are prepared of an aqueous solution reproducing a water of production having a watercut of 99.95% according to the following protocol: 100 ml of a brine composed of 7.5 g / L are prepared of NaCl and 1% by weight of Triton X405. Then 45 ml are poured into a beaker. The solution is stirred at 13,500 rpm using an Ultra-Turrax (IKA model T25D (digital) with S25N-18G blade) and 105 ml of VEMO oil are added. The emulsion remains stirred for 5 minutes at 13,500 rpm.
  • IKA model T25D digital
  • the column has three taps that take samples to track process performance over time.
  • Flotation is carried out by air injection for all the examples, the air coming from a compressed air network.
  • the desired air flow rate is set at 40l / h using a Kobold® rotameter equipped with a valve and a float.
  • the gas injection is through a glass sinter with a diameter of 6 cm and a porosity of 17-40 ⁇ m.
  • the seal between the sintered support and the column is provided by rubber seals and a steel collar.
  • the bubbles generated are millimetric.
  • a production water sample as described above is introduced into the flotation column. Before introducing the gas into the column, the exact initial concentration Cinit is determined in the production water. Samples at different times are then taken at the bottom of the column and the residual oil concentration is determined by extraction with dichloromethane and determination by UV-visible spectrophotometry.
  • the first example is implemented from two production water samples manufactured as described above.
  • Figure 1 shows the evolution of the Ct / Cinit ratio as a function of the time (t) of injection of the gas into the flotation cell (or in other words the evolution of the water quality) for each of these experiments.
  • the lower the Ct / Cinit ratio the better the effectiveness of the flotation treatment, and conversely, the closer this ratio is to 1, the less efficient this is.
  • the efficiency of the process of Flotation according to the prior art is low. Indeed, after 10 min of flotation, only 36% of the oil was separated from the aqueous phase present in the production water.
  • the prior injection of the zirconium chloride according to the invention allows a very clear improvement of the efficiency of the flotation, since the water becomes clean (Ct / Cinit ⁇ 0.05) for times of the order. 6 minutes (see curve C2).
  • This improvement in the efficiency of the flotation by the process according to the invention is explained by a reduction of the Zeta potential (in absolute value) in the presence of the zirconium salt, and therefore to a reduction of the electrostatic repulsions between the drop of oil and the air bubble, which allows the adhesion of oil drops on the air bubbles and thus their rise to the surface faster.
  • the second example is implemented from a series of nine production water samples manufactured as described above.
  • FIG. 3 also shows the evolution of the Ct / Cinit ratio as defined in Example 1 as a function of time, in the case where no tetravalent salt is injected into the production water (curve C1), and in the case where a zirconium chloride is added to the aqueous solution in a concentration equal to 0.5 ppm (curve C2). It can be seen in this figure that the addition of the zirconium salt at this concentration makes it possible to greatly improve the efficiency of the flotation.
  • SDBS sodium dodecyl benzene sulfonate
  • Figure 4 shows the evolution of the Ct / Cinit ratio as a function of time, in the case where no tetravalent salt is injected into the production water (curve C1), and in the case where the zirconium chloride is injected in a concentration equal to 13 ppm (curve C2). It can thus be observed a very strong improvement in the effectiveness of flotation in the presence of zirconium, even when the production water contains a surfactant.

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Abstract

L'invention concerne un procédé pour le traitement d'une solution aqueuse comprenant au moins une phase huile dispersée sous forme de gouttes au sein d'une phase aqueuse, l'huile étant une huile brute pétrolière. Selon l'invention, on réalise au moins les étapes suivantes : on ajoute au moins un sel tétravalent dans la solution aqueuse selon une concentration prédéterminée, puis on sépare par flottation la phase huile de la phase aqueuse présentes dans la solution aqueuse dans laquelle a été ajouté au moins le sel tétravalent. Application en particulier au traitement d'une eau de production ou d'un effluent de production d'origine pétrolière.

Description

PROCEDE DE TRAITEMENT PAR FLOTTATION D’UNE SOLUTION AQUEUSE ISSUE D’UNE PRODUCTION PETROLIERE
La présente invention concerne le domaine du traitement d’une solution aqueuse comprenant au moins une phase huile dispersée sous forme de gouttes, l’huile étant notamment une huile brute résultant d’une production pétrolière.
Plus particulièrement, la présente invention s’applique au traitement d’une eau de production résultant d’une première étape de séparation eau/huile appliquée à un effluent pétrolier, l’effluent étant par exemple issu d’une récupération assistée d’hydrocarbures piégés au sein d’une formation souterraine. La présente invention peut également s’appliquer directement à un effluent pétrolier, lorsque cet effluent est très majoritairement aqueux.
Classiquement, une opération de récupération assistée des hydrocarbures piégés au sein d’un réservoir géologique comprend l’injection d’un fluide de balayage dans un puits injecteur, le fluide de balayage chassant les fluides piégés dans le milieu poreux du réservoir géologique vers au moins un puits de production.
De manière classique, la colonne de production d’un puits de production est couronnée en surface par l'installation d’une tête de puits d'où part une conduite de surface (« flowline ») qui collecte l'effluent pétrolier ainsi produit. Ce fluide est un mélange comprenant une partie des hydrocarbures présents dans la formation (sous forme d’huile et de gaz), des composants du fluide de balayage (tels que des polymères, des tensio-actifs, et/ou des composés alcalins comme dans le cas de l’EOR chimique), et de l'eau (éventuellement sous forme de saumure).
La « flowline » conduit généralement l'effluent pétrolier vers une installation de traitement qui peut comporter des moyens de mixage, de dilution, de séparation et/ou de traitement de l’huile, de l’eau et du gaz. Généralement, la première étape du traitement des effluents pétroliers consiste à séparer l’eau et l’huile de façon gravitaire (par exemple au moyen d’un procédé de séparation di- ou triphasique, ou d’un équipement de type « Free- Water Knock-Out »). L’huile ainsi récupérée est dirigée vers des procédés de désalinisation et de déshydratation.
Le fluide de rejet, aussi appelé eau de production, est un fluide essentiellement aqueux, mais il comporte généralement encore des gouttes d’huile et des impuretés. Pour retirer ces impuretés et les gouttes d’huile, l’eau est dirigée vers des procédés de traitement de l’eau. A l’issue de ce traitement de l'eau de production, une eau de qualité normée est évacuée ou (re)injectée par un puits adéquat dans une formation souterraine. Un procédé connu pour le traitement d’une eau de production est la technique de flottation, telle que décrite par exemple dans le document (Moosai et Dawe, 2003 : Moosai, Roshni & Dawe, Richard. (2003). Gas attachment of oil droplets for gas flotation for oily wastewater cleanup. Séparation and Purification Technology, 33(3), 303-314. Séparation and Purification Technology. 33. 303-314. 10.1016/S1383-5866(03)00091 -1 ). Cette technique consiste à collecter au moins une partie des gouttelettes d’huile dispersées dans la phase aqueuse, par exemple via l’injection d’un gaz dans l’eau de production. En effet, l’ensemble bulles de gaz et gouttelettes d’huile ainsi formé a une densité bien inférieure à celle des gouttelettes d’huile seules, ce qui accélère fortement la séparation huile/eau par effet gravitaire. Toutefois, la collecte des gouttes d’huile par flottation est parfois lente ou peu efficace.
La présente invention vise à améliorer l’efficacité et la rapidité de la séparation par flottation des phases huile et eau présentes dans une solution aqueuse comportant des gouttes d’huile sous forme dispersée, telle qu’une eau de production. Notamment, le procédé selon l’invention comprend une étape consistant en l’ajout au moins de cations tétravalents dans l’eau de production, préalablement à l’étape de séparation huile/eau par flottation.
Le procédé selon l’invention
De façon générale, l’invention concerne un procédé pour le traitement d’une solution aqueuse comprenant au moins une phase huile dispersée sous forme de gouttes au sein d’une phase aqueuse, ladite huile étant une huile brute pétrolière. L’invention comprend au moins les étapes suivantes :
a) on ajoute au moins un sel tétravalent dans ladite solution aqueuse selon une concentration prédéterminée ;
b) on sépare par flottation ladite phase huile de ladite phase aqueuse présentes dans ladite solution aqueuse dans laquelle a été ajouté au moins ledit sel.
Selon une mise en oeuvre de l’invention, ladite concentration peut être prédéterminée de manière à ce que le potentiel zêta desdites gouttes d’huile soit compris entre -20mV et +20mV. Avantageusement, ladite concentration peut être prédéterminée de manière à ce que le potentiel zêta desdites gouttes d’huile soit compris entre -1 OmV et +1 OmV.
Selon une mise en œuvre de l’invention, le sel tétravalent peut être un sel de zirconium.
Avantageusement, le sel de zirconium peut être un chlorure de zirconium.
Préférentiellement, on peut injecter simultanément audit chlorure de zirconium au moins un agent anti-corrosion.
Selon une mise en œuvre de l’invention, ladite concentration en sel tétravalent peut être comprise entre 0.05 ppm et 50 ppm.
Selon une variante de réalisation de l’invention, ladite flottation peut être réalisée au moins au moyen de l’injection d’un gaz dans ladite solution aqueuse.
Préférentiellement, ledit gaz injecté peut être de l’azote.
Selon une autre variante de réalisation de l’invention dans laquelle ladite solution comprend en outre une phase sous forme de gaz dissous, ladite flottation peut être réalisée au moins au moyen d’une dépressurisation de ladite solution aqueuse.
Selon une mise en œuvre de l’invention, ladite solution aqueuse peut comprendre en outre un tensio-actif.
Selon une mise en œuvre de l’invention, ladite solution aqueuse peut être une eau de production.
Alternativement, ladite solution aqueuse peut être un effluent de production dont le rapport huile sur eau est supérieur à 98%.
Avantageusement, on peut réaliser préalablement une étape de séparation primaire desdites phases présentes dans ledit effluent, au moyen d’une séparation de type gravitaire, par centrifugation, ou par hydrocyclone. Présentation succincte des figures
La Figure 1 présente l’évolution du rapport Ct/Cinit en fonction du temps t d’injection du gaz dans une cellule de flottation, dans le cas d’un échantillon de solution aqueuse comprenant un sel tétravalent (courbe C2) et dans le cas sans sel tétravalent (courbe C1 ).
La Figure 2 présente l’évolution du potentiel zêta (ZP) des gouttes d’huile en fonction de la concentration en chlorure zirconium ([ZRCL4]) dans une solution aqueuse.
La Figure 3 présente l’évolution du rapport Ct/Cinit en fonction du temps t, dans le cas où aucun sel tétravalent n’est injecté dans une solution aqueuse (courbe C1 ), et dans le cas où un chlorure de zirconium est ajouté à la solution aqueuse dans une concentration égale à 0.5 ppm (courbe C2).
La Figure 4 présente l’évolution du rapport Ct/Cinit en fonction du temps, dans le cas où aucun sel tétravalent n’est injecté dans un échantillon d’eau de production (courbe C1 ), et dans le cas où le chlorure de zirconium est injecté dans une concentration égale à 13 ppm (courbe C2).
Description détaillée de l'invention
Par la suite, les définitions suivantes seront utilisées :
- Effluent pétrolier : au sens de la présente invention, il s’agit d’un fluide récupéré au niveau d’au moins un puits de production au cours d’un procédé de récupération assistée des hydrocarbures d’un réservoir géologique. Ce fluide est un mélange comprenant une partie des hydrocarbures présents dans la formation (dont au moins une partie des hydrocarbures présents dans le réservoir géologique sous forme d’huile), éventuellement des composants du fluide de balayage (tels que des tensio-actifs, des composés alcalins comme dans le cas de l’EOR chimique etc), et de l'eau (éventuellement sous forme de saumure) provenant du fluide de balayage et/ou du réservoir géologique. L’effluent pétrolier se présente généralement sous la forme d’une mélange d”eau et d’huile. La proportion d’eau par rapport à l’huile (ou « watercut ») de l’effluent pétrolier peut être par exemple comprise entre 5 et 99%, et évolue généralement en fonction de la durée de production du champs ;
- Eau de production : au sens de la présente invention, il s’agit d’un fluide issu d’une première étape de séparation huile/eau appliquée à un effluent de production. Une eau de production est en général caractérisée par une faible proportion d’huile résiduelle par rapport à la phase aqueuse, généralement inférieure à 1% ;
- Potentiel zêta des gouttes d’huile : il s’agit du potentiel lié à la charge électrique portée par les gouttelettes d’huile.
La présente invention concerne un procédé pour le traitement d’une solution aqueuse comprenant au moins une phase huile dispersée sous forme de gouttes au sein de la solution aqueuse. Plus précisément, la présente invention concerne la séparation des phases huile et eau d’une solution aqueuse. Selon l’invention, l’huile est une huile brute pétrolière.
Selon une mise en oeuvre de l’invention, le procédé selon l’invention concerne le traitement d’une solution aqueuse issue d’une opération de récupération assistée d’hydrocarbures au sein d’une formation géologique.
Selon une mise en oeuvre de l’invention, la solution aqueuse selon l’invention est une eau de production. Selon une autre mise en oeuvre de l’invention, la solution aqueuse selon l’invention est un effluent de production dont la proportion eau/huile est au moins de 98%. Selon une mise en oeuvre de l’invention, un effluent de production ayant un tel watercut peut avoir été obtenu après une séparation primaire des phases présentes dans l’effluent, réalisée au moyen par exemple d’une séparation de type gravitaire, par centrifugation, ou encore par hydrocyclone.
Le procédé selon l’invention comporte au moins les étapes suivantes :
1 - on ajoute au moins un sel tétravalent dans la solution aqueuse à traiter selon une concentration prédéterminée ;
2- on sépare par flottation la phase huile et la phase aqueuse présentes dans la solution aqueuse dans laquelle a été ajouté au moins le sel tétravalent. Ainsi, le procédé selon l’invention vise à améliorer la séparation des phases huile et eau présentes dans une solution aqueuse, en ajoutant, préalablement à la mise en œuvre d’un procédé de flottation, un sel tétravalent dans la solution aqueuse à traiter. Selon une une première variante de l’invention, la flottation est mise en œuvre par une injection d’un gaz dans la solution aqueuse à traiter (procédé dit de « Induced Gaz Flotation »). Selon cette cette variante de l’invention, le gaz injecté peut être de l’air, de l’azote ou un gaz disponible sur le site (du gaz naturel par exemple). Selon une deuxième variante de l’invention selon laquelle la solution aqueuse comprend en outre un gaz solubilisé, la flottation peut être réalisée par dépressurisation du gaz solubilisé vapeur (procédé dit de « Dissolved Gaz Flotation ») ; cette dépressurisation peut être réalisée au moyen d’une pompe à double entrée, permettant par exemple de mixer la solution aqueuse avec de la vapeur. Alternativement, on peut combiner les deux variantes de mise en œuvre de la flottation décrites ci-dessus.
Comme démontré dans les exemples d’application décrits ci-après, l’addition d’un sel tétravalent dans une solution aqueuse comprenant des gouttes d’huile dispersées permet d’abaisser le potentiel zêta de ces gouttes d’huile. Les répulsions électrostatiques entre les gouttes d’huile et les bulles de gaz générées par flottation dans la solution aqueuse au cours de l’étape 2 sont alors réduites, ce qui permet l’adhésion des gouttes d’huile sur les bulles générées par flottation, favorisant leur remontée vers la surface. Ainsi, le procédé selon l’invention permet de rendre l’étape de flottation plus rapide et plus efficace.
Selon une mise en œuvre de l’invention, la concentration selon laquelle est ajoutée le sel tétravalent est prédéterminée de manière à ce que le potentiel zêta des gouttes d’huile dispersées dans la phase aqueuse soit compris entre -20mV et + 20mV. En effet, un potentiel zêta compris dans une telle gamme permet une séparation efficace et rapide des phases huile et eau présentes dans une solution aqueuse, tel que cela est démontré dans les exemples d’application ci-dessous.
Avantageusement, la concentration selon laquelle est ajoutée le sel tétravalent est prédéterminée de manière à ce que le potentiel zêta des gouttes d’huile dispersées dans la phase aqueuse soit compris entre -10mV et +10mV. En effet, un potentiel zêta compris dans une telle gamme permet une séparation encore plus efficace et rapide des phases huile et eau présentes dans une solution aqueuse, tel que cela est démontré dans les exemples d’application ci-dessous. Selon une mise en œuvre de l’invention, on peut déterminer une concentration en au moins un sel tétravalent à ajouter à la solution aqueuse à traiter de manière à ce que le potentiel zêta des gouttes d’huile de cette solution soit dans une gamme souhaitée (typiquement, compris entre -20 mV et + 20 mV, ou bien préférentiellement entre -10 et + 10 mV) au moyen d’expériences de laboratoire au cours desquelles on injecte, dans des échantillons de la solution aqueuse à traiter, le ou les sels tétravalent(s) dans des concentrations différentes, comprises dans un intervalle de concentrations (typiquement, l’intervalle des concentrations en sel tétravalent à tester est défini par une valeur minimale valant 0.5 ppm et une valeur maximale 50 ppm) et on réalise des mesures du potentiel zêta pour chacune de ces concentrations. Les mesures du potentiel zêta sont réalisées par exemple au moyen de l’instrument « Zetasizer Nano Sériés™» de la société Malvern Instruments. Il est bien clair pour le spécialiste qu’un nombre restreint de telles expériences (une dizaine tout au plus) est nécessaire pour déterminer une concentration en sel(s) tétravalent(s) permettant d’atteindre un potentiel zêta dans une gamme souhaitée.
Selon une mise en œuvre de l’invention, on peut réduire le nombre d’expériences afin d’atteindre le potentiel zêta souhaité en utilisant une méthode de dichotomie pour explorer l’intervalle des concentrations possibles. Autrement dit, selon une mise en œuvre de l’invention, on réalise des mesures de potentiel zêta pour les deux valeurs extrêmes de la gamme de concentrations (par exemple pour les concentrations de 0.5 ppm et de 50 ppm en sel(s) tétravalent(s)) et une valeur médiane (avantageusement la valeur médiane est choisie en considérant une échelle logarithmique). Puis en fonction de la valeur du potentiel zêta obtenue pour la valeur médiane, on divise en deux soit l’intervalle de valeurs de concentrations dont la borne supérieure est la valeur médiane, soit l’intervalle de valeurs de concentrations dont la borne inférieure, et on réalise une mesure du potentiel zêta pour la valeur médiane de ce nouvel intervalle. On répète cette procédure jusqu’à déterminer une valeur médiane pour laquelle le potentiel zêta est compris dans la gamme souhaitée. De cette façon on peut réduire le nombre d’expériences à réaliser.
Selon une mise en œuvre de l’invention, la solution aqueuse peut en outre contenir au moins un tensio-actif. Selon une mise en œuvre de l’invention, le tensio-actif est choisi parmi des tensioactifs anioniques ou mélange de tensioactifs anioniques contenant notamment un tensioactif sulfonate, tel qu’un d’alkylbenzosulfonate (dit ABS), un internai olefin sulfonate (dit IOS), un akyl glyceryl ether sulfonate (AGES) ou un alkyl ether sulfate (AES), une carboxy- ou sulfo- bétaîne. Comme cela est montré dans le dernier exemple d’application présenté ci- après, la présente invention améliore l’efficacité de la flottation même dans le cas où la solution aqueuse à traiter comprend un tensio-actif. Selon une mise en œuvre de l’invention, le sel tétravalent est un sel de zirconium, tel qu’un chlorure de zirconium, un sulfate de zirconium, un hydroxyde de zirconium ou un acétate de zirconium. Les avantages de ces sels sont par ailleurs démontrés dans les exemples de réalisation décrits ci-après.
Selon une mise en œuvre de l’invention, le sel de zirconium est le chlorure de zirconium. Ce sel présente l’avantage d’avoir un faible impact environnemental. Toutefois, ce sel peut toutefois engendrer une certaine corrosion des métaux en fonction de sa concentration. Ainsi, selon un mode de réalisation de l’invention, lorsque la mise en œuvre de l’invention est réalisée au moyen d’un chlorure de zirconium, on peut injecter simultanément au chlorure de zirconium au moins un agent anti-corrosion dans la solution aqueuse.
Selon une mise en œuvre de l’invention selon laquelle la solution aqueuse est un effluent pétrolier, le procédé selon l’invention peut comprendre en outre une étape de traitement du gaz issu d’une séparation primaire des phases, réalisée au moyen par exemple d’une séparation de type gravitaire, par centrifugation ou encore par hydrocyclone. De plus, le procédé de traitement selon l’invention appliqué à un effluent pétrolier peut comprendre une première étape de séparation primaire des phases, réalisée au moyen par exemple d’une séparation de type gravitaire, par centrifugation, ou encore par hydrocyclone. Par ailleurs, le procédé de traitement selon l’invention appliqué à un effluent pétrolier peut comprendre des étapes de traitement de l’huile, telles que des étapes de déshydratation, de dessalage, etc.
Exemples de réalisation
Les caractéristiques et avantages du procédé selon l’invention apparaîtront plus clairement à la lecture des exemples d'application ci-après.
Pour la mise en œuvre de ces exemples, on prépare des échantillons d’une solution aqueuse reproduisant une eau de production ayant un watercut de 99.95% selon le protocole suivant : on prépare 100 ml d’une saumure composée de 7,5 g/L de NaCI et 1 %massique de Triton X405. Puis 45 ml sont versés dans un bêcher. La solution est agitée à 13 500 rpm à l’aide d’un Ultra-Turrax (IKA modèle T25D (digital) avec pale S25N-18G) et 105 ml de pétrole VEMO sont ajoutés. L’émulsion reste sous agitation pendant 5 min à 13 500 rpm.
Les exemples sont par ailleurs réalisés avec le matériel et le protocole décrits ci-après. Ainsi, on utilise une colonne de laboratoire en verre, cylindrique, avec un diamètre interne de 7 cm et une hauteur de H = 60 cm. La colonne possède trois robinets qui permettent de prélever des échantillons afin de suivre le rendement du procédé dans le temps. La flottation est réalisée par injection d’air pour l’ensemble des exemples, l’air étant issu d’un réseau d’air comprimé. Après un détendeur fixé à 2 bars, le débit d’air souhaité est établi à 40l/h l’aide d’un rotamètre Kobold® équipé d’une valve et d’un flotteur. L’injection de gaz se fait à travers un fritté en verre avec : un diamètre de 6 cm et une porosité de 17-40 pm. L’étanchéité entre le support du fritté et la colonne est assurée par des joints en caoutchouc et un collier en acier. Les bulles générées sont millimétriques.
Un échantillon d’eau de production tel que décrit ci-dessus est introduit dans la colonne de flottation. Préalablement à l’introduction du gaz dans la colonne, on détermine la concentration initiale exacte Cinit dans l’eau de production. Des prélèvements à différents instants sont ensuite réalisés dans le bas de la colonne et la concentration en huile résiduelle est déterminée par extraction au dichlorométhane et dosage par spectrophotomètrie UV-visible.
Exemple 1
Le premier exemple est mis en œuvre à partir de deux échantillons d’eau de production fabriquée tel que décrit ci-dessus. L’eau de production a une concentration en huile (sous forme de gouttelettes de brut lourd dispersées dans l’eau) de 200 ppm (CM), et une salinité de [NaCI] = 1 mM.
Dans une première expérience, on procède à l’injection de gaz dans un des échantillons d’eau de production, sans ajouter de sel tétravalent. Dans une seconde expérience, on injecte un chlorure de zirconium (ZrCI4) de concentration 0,004 mmol/l dans un autre échantillon d’eau de production, préalablement à l’injection de gaz. On mesure la concentration en huile dans l’eau Ct pour ces deux échantillons au cours de l’étape de flottation.
La Figure 1 présente l’évolution du rapport Ct/Cinit en fonction du temps (t) d’injection du gaz dans la cellule de flottation (ou autrement dit l’évolution de la qualité de l’eau) pour chacune de ces expériences. Plus le rapport Ct/Cinit est faible, meilleure est l’efficacité du traitement de flottation, et inversement, plus ce rapport est proche de 1 , moins bonne est cette efficacité. Ainsi, on peut observer sur cette figure que l’efficacité du procédé de flottation selon l’art antérieur (c’est-à-dire sans ajout de sel tétravalent ; courbe C1 ) est faible. En effet, après 10 min de flottation, seulement 36 % de l’huile a été séparé de la phase aqueuse présente dans l’eau de production. Par contre, l’injection préalable du chlorure de zirconium selon l’invention permet une très nette amélioration de l’efficacité de la flottation, puisque l’eau devient propre (Ct/Cinit < 0,05) pour des temps de l’ordre de 6 minutes (cf courbe C2).
Cette amélioration de l’efficacité de la flottation par le procédé selon l’invention s’explique par une diminution du potentiel Zêta (en valeur absolu) en présence du sel de zirconium, et donc à une réduction des répulsions électrostatiques entre la goutte d’huile et la bulle d’air, ce qui permet l’adhésion des gouttes d’huile sur les bulles d’air et ainsi leur remontée à la surface plus rapide.
Exemple 2
Le deuxième exemple est mis en œuvre à partir d’une série de neuf échantillons d’eau de production fabriquée tel que décrit ci-dessus. Pour cet exemple, l’eau de production a une concentration en huile (sous forme de gouttelettes de brut lourd dispersées dans l’eau) de 200 ppm (Cinit) et une salinité de [NaCI] = 3 mM.
Du chlorure de zirconium à différentes concentrations, a été injecté dans les différents échantillons d’eau de production, correspondant à des concentrations entre 0.2 ppm et 200 ppm. Une mesure du potentiel zêta des gouttes d’huile présentes dans chacun de ces échantillons a été réalisée. La Figure 2 présente ainsi l’évolution du potentiel zêta (ZP) des gouttes d’huile en fonction de la concentration en chlorure zirconium ([ZRCL4]).
Ainsi, on peut observer sur cette figure qu’il existe bien une gamme de concentrations pour laquelle le potentiel zêta des gouttes d’huile est faible en valeur absolue, par exemple compris entre -20 mV et +20 mV. Par exemple, on peut observer que pour une concentration en chlorure de zirconium de 0.5 ppm, le potentiel zêta des gouttes d’huile vaut -7 mV et que pour une concentration en chlorure de zirconium de 0.7 ppm, le potentiel zêta des gouttes d’huile vaut 12 mV. Ainsi, il apparaît clairement possible, à partir d’un nombre très restreint d’expériences de déterminer une concentration en sel tétravalent permettant d’atteindre un potentiel zêta compris dans une gamme souhaitée, par exemple entre -20mV et + 20 mV.
Par ailleurs, on peut ainsi observer que l’évolution du potentiel zêta en fonction de la concentration en chlorure de zirconium suit une courbe régulière, mono-valuée. Ainsi, une méthode de recherche de la concentration en sel tétravalent permettant d’atteindre une concentration souhaitée par dichotomie apparaît particulièrement adaptée. La Figure 3 montre par ailleurs l’évolution du rapport Ct/Cinit tel que défini à l’exemple 1 en fonction du temps, dans le cas où aucun sel tétravalent n’est injecté dans l’eau de production (courbe C1 ), et dans le cas où un chlorure de zirconium est ajouté à la solution aqueuse dans une concentration égale à 0.5 ppm (courbe C2). On peut observer sur cette figure que l’ajout du sel de zirconium à cette concentration permet d’améliorer fortement l’efficacité de la flottation.
Exemple 3
Dans cet exemple la salinité de l’eau de production est de [NaCI]=0.2 g/L et elle comprend un tensioactif SDBS (sodium dodecyl benzene sulfonate) à 20 ppm.
Dans une première expérience, on procède à l’injection de gaz dans un échantillon de cette eau de production, sans ajouter de sel tétravalent. Dans une seconde expérience, on injecte un chlorure de zirconium ZrCI4 à 13 ppm dans un autre échantillon de cette eau de production, préalablement à l’injection de gaz. La concentration en chlorure de zirconium a été choisie pour obtenir un potentiel zêta faible. Sans chlorure de zirconium et en présence de 20 ppm de SDBS, le potentiel zêta des gouttelettes d’huile vaut -83mV, et il est de l’ordre de -1 mV après addition de 13 ppm de chlorure de zirconium.
Au cours de la flottation on réalise une observation visuelle des colonnes de laboratoire (résultats non présentés). On peut observer qu’en l’absence de zirconium, l’eau reste sale et une mousse est formée en tête de colonne. En présence de zirconium à une concentration à 13 ppm, l’eau est nettoyée en 6 minutes et il n’y a pas de mousse qui se forme en tête de colonne.
Par ailleurs, on mesure au cours du temps l’évolution de la concentration en huile dans l’eau Ct dans chacune de ces colonnes. La Figure 4 montre l’évolution du rapport Ct/Cinit en fonction du temps, dans le cas où aucun sel tétravalent n’est injecté dans l’eau de production (courbe C1 ), et dans le cas où le chlorure de zirconium est injecté dans une concentration égale à 13 ppm (courbe C2). On peut ainsi observer une très forte amélioration de l’efficacité de la flottation en présence de Zirconium, même lorsque l’eau de production contient un tensioactif.
Il apparaît ainsi que la présence de cations tétravalents dans une solution aqueuse dans laquelle des gouttes d’huile sont dispersées permet d’améliorer l’efficacité d’un procédé de séparation des phases huile et eau par flottation, et ce, même dans le cas où la solution aqueuse comprend également un tensioactif.

Claims

Revendications
1 ) Procédé pour le traitement d’une solution aqueuse comprenant au moins une phase huile dispersée sous forme de gouttes au sein d’une phase aqueuse, ladite huile étant une huile brute pétrolière, caractérisé en ce qu’on réalise au moins les étapes suivantes : a. on ajoute au moins un sel tétravalent dans ladite solution aqueuse selon une concentration prédéterminée ;
b. on sépare par flottation ladite phase huile de ladite phase aqueuse présentes dans ladite solution aqueuse dans laquelle a été ajouté au moins ledit sel.
2) Procédé selon la revendication 1 , dans lequel ladite concentration est prédéterminée de manière à ce que le potentiel zêta desdites gouttes d’huile soit compris entre -20mV et +20mV.
3) Procédé selon la revendication 1 , dans lequel ladite concentration est prédéterminée de manière à ce que le potentiel zêta desdites gouttes d’huile soit compris entre -10mV et +10mV.
4) Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le sel tétravalent est un sel de zirconium.
5) Procédé selon la revendication 4, dans lequel ledit sel de zirconium est un chlorure de zirconium.
6) Procédé selon la revendication 5, dans lequel on injecte simultanément audit chlorure de zirconium au moins un agent anti-corrosion.
7) Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel ladite concentration en sel tétravalent est comprise entre 0.05 ppm et 50 ppm.
8) Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel ladite flottation est réalisée au moins au moyen de l’injection d’un gaz dans ladite solution aqueuse. 9) Procédé selon la revendication 8, dans lequel ledit gaz injecté est de l’azote.
10) Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel ladite solution comprend en outre une phase sous forme de gaz dissous, et dans lequel ladite flottation est réalisée au moins au moyen d’une dépressurisation de ladite solution aqueuse.
1 1 ) Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel ladite solution aqueuse comprend en outre un tensio-actif.
12) Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel ladite solution aqueuse est une eau de production.
13) Procédé selon l’une des revendications 1 à 1 1 , dans lequel ladite solution aqueuse est un effluent de production dont le rapport huile sur eau est supérieur à 98%.
14) Procédé selon la revendication 13, dans lequel on réalise préalablement une étape de séparation primaire desdites phases présentes dans ledit effluent, au moyen d’une séparation de type gravitaire, par centrifugation, ou par hydrocyclone.
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