EP3728935A1 - Procédé de détection de la présence d'hydrate de gaz dans une conduite destinée au transport de fluide d'hydrocarbure - Google Patents

Procédé de détection de la présence d'hydrate de gaz dans une conduite destinée au transport de fluide d'hydrocarbure

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EP3728935A1
EP3728935A1 EP18833990.7A EP18833990A EP3728935A1 EP 3728935 A1 EP3728935 A1 EP 3728935A1 EP 18833990 A EP18833990 A EP 18833990A EP 3728935 A1 EP3728935 A1 EP 3728935A1
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EP
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pipe
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transported
evolution
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F17D3/00—Arrangements for supervising or controlling working operations
    • F17D3/01—Arrangements for supervising or controlling working operations for controlling, signalling, or supervising the conveyance of a product

Definitions

  • the present invention relates to a method for detecting the presence of hydrate in a conduit for hydrocarbon fluid transport and an associated detection device.
  • the present invention relates in particular to submarine pipes for conveying hydrocarbon fluids between an underwater installation and a marine surface installation.
  • the transport of multiphase petroleum fluids entails the risk of forming a deposit or a solid phase inside the pipe, such as hydrates or paraffins.
  • the crude oil that comes out of a production well always contains a small part of water and light hydrocarbons (methane, ethane, propane ...) likely to form a gas hydrate.
  • a known method is to locally heat the pipe where the plug is detected to melt.
  • WO2016 / 188640 discloses a removable cover intended to be applied facing an outer surface of an underwater pipe placed on the bottom of the water, equipped on the one hand with a heating system, with Joule heating cables, to generate the heating necessary for the dissociation of the hydrate plugs and, on the other hand, a temperature monitoring system along the pipe, based on linear fiber sensors Distributed Temperature Sensing ("Distributed Temperature Sensing”) type optical sensors, for detecting and locating hydrate plugs.
  • Distributed Temperature Sensing Distributed Temperature Sensing
  • distributed Temperature Sensing distributed Temperature Sensing
  • An object of the invention is therefore to provide a method for monitoring and effectively treating, in a simple and inexpensive manner, the accumulation of hydrates within a hydrocarbon fluid transport line, in particular immersed in a fluid. body of water.
  • the present invention proposes a method for detecting the presence of hydrates in a hydrocarbon fluid transport line, in which a system for heating the fluid transported by heating means arranged on the along the pipe and a temperature measurement system associated with the pipe, adapted to provide at regular intervals temperature values measured along the pipe, and in which the presence of at least one hydrate cap is detected in driving from the operation of said measured temperature values,
  • an alert signal is developed for the presence of a hydrate plug for each identified zone.
  • fluid transported means the fluid present in the pipe, regardless of whether or not this fluid is able to flow along the pipe because of the possible presence of a hydrate cap, and independently of the liquid, gaseous or even solid state of said fluid.
  • the slope at the moment considered of the temporal evolution respectively global or local is equal to the first derivative with respect to the time, at the instant considered, of the temporal evolution respectively global or local.
  • a characteristic of the invention lies in the temporal monitoring of the temperature of the fluid transported by the pipe and in the combination of an overall analysis and a local analysis of the evolution of the temperature of the fluid transported as a function of the time, respectively at the level of at least a portion of pipe and at local areas considered in this portion of pipe, in order to accurately detect the thermodynamic conditions of formation of hydrates.
  • the local temperature is constant and the slope of local time evolution is therefore zero.
  • the detection methods based solely on the detection of areas in which the slope of the local temporal evolution is zero (or very low) are not reliable, in particular because this phenomenon can occur in the region. absence of hydrate cap when the overall temperature is stabilized. In other words, a local analysis of the evolution of the fluid temperature transported over time, does not alone reliably detect a hydrate cap.
  • the combination according to the present invention of an overall analysis and of a local analysis of the evolution of the temperature of the transported fluid as a function of time makes it possible to make the detection of a hydrate cap more reliable by clearly distinguishing the presence of hydrates from the presence of liquid and gas.
  • the temperature of the fluid in the zones of this pipe portion in which the transported fluid is liquid or gas will increase substantially uniformly and continuously, while the Temperature in the zones of this portion of pipe comprising a hydrate cap will evolve according to two possible modes of evolution.
  • the local temperature in the zone comprising a hydrate plug remains substantially constant until the complete fusion of the hydrate plug forming a step or it increases slightly with a rate of rise in temperature much lower than that of the other zones devoid of plug hydrates, which leads to the formation of a pseudo-palliation of low positive slope temperature.
  • the temperature correction or pseudo-palliation is due to the fact that the hydrate fusion reaction is endothermic.
  • This first mode of evolution corresponds to the case where the melting is done without significant increase in the pressure in the central part of the plug, the gas released by the melting can easily flow to a neighboring zone.
  • the absolute value of the slope of the local temporal evolution is less than one third of the absolute value of the slope of the overall temporal evolution during at least the whole initial phase of the fusion of the hydrates, which makes it possible to detect the presence of the hydrate stopper at the beginning of its fusion.
  • the local temperature in the zone comprising a plug of hydrates decreases suddenly and rapidly by a few degrees shortly after the initiation of the melting of the plug. hydrates, forming an endothermic peak. This endothermic peak is then followed by a pseudo-palliate temperature similar to that of the first mode of evolution that continues as the cap is not completely dissociated (molten).
  • This mode corresponds to the case where during the initial phase of the melting, the gas released by the melting of the central portion of the hydrate cap is blocked in the cap and can not flow freely to a neighboring zone.
  • the pressure in the central part of the plug increases substantially during the initial phase of the fusion until the fusion of the peripheral portions of the plug has created one or more channels allowing the gas present in the central part of the plug of the plug. flow to a neighboring area.
  • This then causes a sudden and rapid pressure drop in the central part of the plug.
  • This phenomenon of rapid depressurization being endothermic, it leads to a drop in temperature and the formation of the endothermic peak.
  • This endothermic peak is advantageously revealed by a slope failure, which becomes negative, in the local temporal evolution of the temperature of the fluid transported for the zone considered, which opposes the positive slope of the global temporal evolution of the temperature.
  • the temperature of the fluid in the zones of this pipe portion in which the fluid transported consists of liquid or gas will decrease substantially uniformly and continuously, while that the temperature in the zones of this portion of pipe comprising a cap of hydrates being formed will also evolve according to two possible modes of evolution.
  • the local temperature in the zone comprising a cap of hydrates being formed remains substantially constant throughout the formation of the cap of hydrate (to compensate for temperature of slope null), or it diminishes weakly with a speed much lower temperature drop than the other zones devoid of hydrate cork (pseudo-palliation of low negative slope temperature).
  • the absolute value of the slope of local time evolution is less than one-third of the absolute value of the slope of the global temporal evolution during at least the whole initial phase of hydrate plug formation. , which makes it possible to detect the presence of the hydrate stopper at the beginning of its formation.
  • the local temperature in the zone comprising a plug of hydrates increases abruptly and rapidly by a few degrees shortly after the initiation of the formation of the plug. hydrates, forming an exothermic peak.
  • This exothermic peak is advantageously revealed by a slope failure, which becomes positive, in the local temporal evolution of the temperature of the fluid transported for the zone considered, which opposes the negative slope of the overall temporal evolution of the temperature. fluid transported in this pipe portion subjected to global cooling, which allows to detect the presence of the hydrate cap shortly after the initiation of the formation.
  • This exothermic peak is then followed by a pseudo-palliate temperature similar to that of the first mode of evolution, which continues as the cap is not completely formed.
  • the detection of a local endothermic peak during global warming of the pipe and / or the detection of a local exothermic peak during an overall cooling of the pipe makes it possible to identify the corresponding zones. of the pipe in which a plug of hydrates is present, whether it is dissociating or forming.
  • the length of said pipe portion is greater than 500 meters, more preferably greater than 1000 meters, preferably greater than 2000 meters.
  • the length of the pipe portion on which the overall thermal analysis is made is substantially greater than the length of a plug of hydrates. which is typically of the order of a few tens of meters.
  • said measured temperature values are distributed along said pipe with a spatial periodicity of less than 10 meters, more preferably less than 5 meters, even more advantageously less than 2 meters and preferably less than 1 meter. This characteristic makes it possible in particular to have several measurement points along a possible hydrate cap, which improves the reliability of detection of the hydrate plugs.
  • a thermal model of the pipe capable of calculating is established. a temperature value along the pipe according to a plurality of input data of said thermal model including unknown input data including at least the temperature of the transported fluid and testing all input data combinations possible to determine a combination of input data which outputs at the output of said thermal model a calculated temperature value equal to the measured temperature value.
  • the temperature of the transported fluid retained as unknown input data of the thermal model in said applied combination which leads to a temperature value calculated by the model equal to the measured temperature value for a given zone along of the pipe, is considered to be the temperature of the fluid transported inside the pipe for said zone. It is thus easy to estimate the temperature of the fluid transported within the internal passage of the pipe along it, from the temperature values measured along the pipe provided by the measuring system.
  • an overall time derivative of the temperature of the fluid transported on said pipe portion is calculated from an average of the local time derivatives of the temperature values of the transported fluid distributed along said portion and the sign of said derivative is used. time and comparing the absolute value of said global time derivative with a predetermined threshold to evaluate the sense of the overall temporal evolution of the temperature of the fluid transported on said pipe portion.
  • said predetermined threshold is advantageously equal to 0.02 ° C./hour, preferably equal to 0.05 ° C./hour.
  • the use of this predetermined threshold is intended to make the estimation of the direction of the overall temporal evolution more robust as a function of the accuracy of the measurements of the temperatures and / or of the thermal model used.
  • a local time derivative of the temperature of the fluid transported for each zone considered of said pipe portion is calculated, a speed of change in the time of said local time derivative is evaluated and said warning signal resulting from the detection is developed.
  • a slope break in the opposite direction to the direction of the global temporal evolution of the temperature of the fluid transported for said driving portion when it is detected that said rate of change over time of said local time derivative varies within a range of predetermined speeds.
  • the local time derivative of the temperature of the transported fluid is equal to the first derivative with respect to the time of the local temperature of the transported fluid, and is also equal to the slope of local time evolution of the temperature. of the transported fluid.
  • Speed the change in time of the local time derivative of the temperature of the transported fluid is equal to the second derivative with respect to the time of the local temperature of the transported fluid.
  • said predetermined velocity range is between -1 ° C / h 2 and -10 ° C / h 2 for the detection of a negative slope failure.
  • said predetermined velocity range is between + 1 ° C / h 2 and + 10 ° C / h 2 for the detection of a positive slope failure.
  • a heating system and a temperature measurement system integrated into the pipe.
  • a heating system and a temperature measurement system carried by a clean removable cover to be applied opposite an outer surface of the pipe.
  • the invention also relates to a device for detecting the presence of hydrates in a fluid transport pipe, comprising heating means arranged along the pipe, a temperature measurement system associated with the pipe, adapted to provide at regular intervals temperature values measured along the pipe and a module for processing said measured temperature values adapted to exploit said measured temperature values to detect the presence of at least one hydrate plug in the pipe, characterized in said processing module is adapted to calculate temperature values of the transported fluid, distributed along the pipe, from said measured temperature values and to carry out a substantially continuous time tracking of the evolution of the fluid temperature transported along the pipe, said treatment module being able to evaluate the direction of an overall temporal evolution of the temperature of the fluid transported on at least a portion of the pipe from the temperature values of the transported fluid distributed along said portion and developing a warning signal for the presence of a plug of hydrates when a local temporal evolution of the temperature of the fluid transported for a given zone of said pipe portion has a slope failure in the opposite direction to the direction of evolution global time of the temperature of the fluid transported for said portion, and
  • FIG. 1 is a schematic view of the detection device according to the invention.
  • FIG. 2 is a second schematic view of the detection device according to the invention.
  • FIG. 3 is a first chronogram representing the global and local time evolution curves of the temperature of the fluid transported at a portion of a pipe during heating with a plug of hydrates, these curves being obtained from the values temperature measured by the temperature measurement system associated with the pipe, which are discretized along the longitudinal direction of the pipe;
  • FIG. 4 is a second chronogram showing the global and local time evolution curves of the temperature of the fluid transported at a portion of pipe during heating comprising a hydrate cap.
  • the detection device 20 is illustrated schematically in FIG. 1. It is intended to be used in an off-shore installation 10 for operating hydrocarbon fluid comprising at least one pipe 12 placed on the seabed 13 and / or at least partially buried in the seabed 13. This is for example a production line ("flowline" according to the English terminology) connecting a fluid collection assembly (not shown) to a column rising (not shown).
  • the pipe 12 may for example be a rigid pipe formed of at least one pipe metal or may be a flexible pipe, comprising at least one pressure sheath of thermoplastic material and reinforcing armor.
  • the pipe 12 defines an internal passage 14 of fluid circulation.
  • the fluid flowing in the pipe is for example a hydrocarbon fluid comprising at least one compound capable of solidifying, in particular in the form of gas hydrate or paraffin, in the internal passage 14 under certain conditions of temperature and humidity. pressure, especially in high pressure and low temperature conditions.
  • a hydrocarbon fluid comprising at least one compound capable of solidifying, in particular in the form of gas hydrate or paraffin, in the internal passage 14 under certain conditions of temperature and humidity. pressure, especially in high pressure and low temperature conditions.
  • the hydrocarbon fluid cools and this gradual cooling can cause the fluid to enter thermodynamic hydrate or paraffin formation conditions.
  • These solidified compounds are likely to accumulate on the inner walls of the pipe and in some cases to form at least one plug 16, shown schematically in Figure 2, which can cause a complete blockage of the flow of the pipe.
  • the detection device 20 is intended to detect the presence and / or the formation of these hydrate plugs to treat these plugs and to remedy the blockage of the pipe in a preventive manner.
  • the detection device 20 comprises a heating system 21 for the fluid transported by heating means 28 (shown schematically in FIG. 2) arranged along the pipe 12 and a temperature measuring system 22 associated with the pipe 12, adapted to provide temperature values measured along the pipe, as a function of time.
  • the heating means 28 are intended to interact with the pipe to heat it, for example by Joule effect. They comprise at least one longitudinal heating element of the electrically conductive heating cable arranged along the pipe.
  • the temperature measurement system 22 comprises, for example, one or more linear sensors with distributed-temperature-sensing (Distributed Temperature Sensing) type optical fibers arranged along the pipe.
  • This type of sensor operating according to a principle of Raman or Brillouin reflectometry, produces, for example every 30 seconds, a signal 24 representative of the local temperature measured on along the pipe with a spatial resolution for example of 1 m.
  • the measurement system comprises, for example, a large number of Bragg grating type optical fiber temperature sensors arranged along the pipe, or a large number of sensors. electrical temperature measuring sensors of the thermocouple or thermistor type arranged along the pipe.
  • the longitudinal heating elements of the pipe and the optical fiber linear sensors for measuring the temperature along the pipe may be incorporated in the pipe or, if the latter is not already equipped with such integrated means, may be carried by a removable heating blanket 25 (shown schematically in Figure 2), of the type described in WO2016 / 188640, intended to be deployed along at least a portion of the pipe 12, so as to cover.
  • the signal representative of the temperature values measured by the measurement system 22 is communicated to a processing module 23, able to store these measured temperature values and to process them.
  • the processing module 23 analyzes the measured temperature values and estimates the temperature of the fluid transported in the internal passage of the pipe from these values measured locally along the pipe.
  • the temperature measuring sensor does not directly provide the measurement of the temperature of the fluid transported in the internal passage 14, but a measurement of the local temperature outside the internal passage 14, along the pipe.
  • the estimation of the temperature of the fluid transported from the measured temperature values is based on a pre-established thermal model 26 stored in the processing module 23.
  • This thermal model 26 is designed to be a model with known inputs, a on the other hand, representing the thermal behavior of the driving system in its environment, and having as output the temperature measured locally along the pipe, the whole known, unknown and presumed input data influencing said local temperature along the pipe.
  • the known inputs are data which can be measured or which are known from the actual design of the pipe, such as, for example, data relating to the thermal properties of the heating system, as well as the thermal properties of the pipe (thermal conductivity , heat capacity, etc.). Assumed inputs are parameters that are not measured but can be estimated with a high level of confidence (for example, ambient seawater temperature, thermal properties of the seafloor).
  • the unknown inputs of the model are parameters that are not measured and that must be determined, among which the temperature of the transported fluid.
  • the thermal model makes it possible to convert the temperature values measured by the measuring system along the pipe into temperature values of the transported fluid.
  • all the possible combinations of known, unknown and supposed input data are defined, these combinations are provided at the input of the thermal model 26 and the best combination is selected from among all the defined combinations, namely that which allows obtaining at the output of the thermal model a temperature value along the pipe, said calculated value, equal to the temperature value measured along the pipe by the measuring sensor, the so-called measured value.
  • the combination selected makes it possible to provide the unknown input data and, in particular, the temperature of the fluid transported in the internal passage 14 of the pipe 12 for which the model outputs a calculated value equal to the measured value.
  • all possible inputs of the model 26 are tested until the output of the model corresponds to the measured value in order to estimate the temperature values of the fluid transported in the internal passage along the pipe.
  • FIGS. 2, 3 and 4 Reference will be made to FIGS. 2, 3 and 4 to describe the analysis as a function of time of these estimated temperature values of the fluid transported along the pipe.
  • the analysis to detect the presence of a hydrate cap and determine its location along the pipe is based on a follow-up substantially continuous time of the evolution of the temperature of the fluid transported along a portion of long pipe and a comparison between, on the one hand, the local temporal evolution of the temperature along an area particular of the driving portion and, secondly, overall time evolution of the temperature along the pipe portion.
  • This comparison aims at identifying the areas for which not only the local temporal evolution of the temperature is significantly different from the evolution of the global temporal evolution of the temperature, but also for which this difference meets specific criteria allowing to deduce the presence of a hydrate cap at the local level.
  • a first mode of operation is based on the implementation of a detection cycle comprising a heating of the pipe, via the heating means 28 associated with the pipe 12.
  • the pipe portion 29 shown in FIG. delimited by two pipe portion ends 17,18.
  • the pipe portion 29 is advantageously greater than 500m, preferably greater than 1000m.
  • the pipe portion 29 comprises a hydrate cap 16 of length much less than the length of the pipe portion.
  • the overall temporal evolution 30, 40 of the temperature of the fluid transported along the pipe portion 29 is the average along the pipe portion 29 of the local time changes determined by the module of treatment 23 from the distributed temperature measurements made by the measuring system 22.
  • the overall time evolution 30, 40 of the temperature is a continuously increasing function due to the global warming of the pipe portion 29 by the heating means 28
  • the local temporal evolution 39, 49 of the temperature at the hydrate cap 16 can follow two main modes of evolution.
  • the local temporal evolution 39 of the temperature at the level of the hydrate plugs 16 becomes significantly different from the overall temporal evolution 30 from the beginning fusion 32 of the plug. From the beginning of the fusion 32 of the hydrate cap, the evolution local time 39 is in the form of a pseudo temperature step 33 which is maintained until the complete fusion of the hydrate cap.
  • the slope of the local temporal evolution 39 drops rapidly and strongly with respect to the slope of the overall temporal evolution 30.
  • the slope of the local temporal evolution 39 becomes less than one-third of the slope of the overall temporal evolution 30 shortly after the start of the melting 32. This makes it possible to produce a warning signal of the presence of a hydrate plug when the local temporal evolution 39 of the temperature of the transported fluid has a slope of absolute value at least three times lower than the absolute value of the slope of the overall temporal evolution 30 of the fluid transported for the portion 29 of conduct.
  • the local temporal evolution 39 is in the form of a rapid temperature rise curve 31 which asymptotically matches the overall temporal evolution 30. It has been found that as soon as the fusion the slope of the local temporal evolution 39 increases rapidly and strongly, so that it is possible to develop a complete fusion warning signal (end of fusion) from the velocity of the hydrate cap. of change in the time of this slope. For example, a complete fusion warning signal is produced when the second derivative with respect to the time of the local time evolution is greater than +1 ° C / hour 2 , advantageously greater than + 2 ° C / hour 2 .
  • the local temporal evolution 49 of the temperature at the level of the hydrate plugs 16 becomes significantly different from the global temporal evolution 40 shortly after the beginning of the merging 42 of the plug, the local time evolution 49 then being in the form of an endothermic peak 48 followed by a pseudo-plateau 43 which is maintained until the complete fusion 44 of the hydrate plug.
  • this endothermic peak 48 is related to the rapid and sudden depressurization of the central part of the plug shortly after the start of the melting 42. This phenomenon is due in that the gas released by the melting of the central part of the hydrate cap 16 is initially blocked and can not flow freely to a neighboring zone. In the case of FIG.
  • this initial gas blocking zone corresponds to the part of the local temporal evolution curve 40 between the points 42 and 47. From point 47, the gas begins to evacuate towards at least one neighboring zone via at least one channel generated by the fusion of the hydrate cap. The depressurization then takes place between points 47 and 48, which causes the endothermic peak 48 because the rapid depressurization of a gas is an endothermic phenomenon.
  • This endothermic peak 48 is revealed by a slope break, in the opposite direction to the positive direction of the overall temporal evolution 40 of the temperature of the fluid transported in the pipe portion 29.
  • This rapid and abrupt variation (decrease) in the temperature of the fluid transported for a given zone during the elevation of the pipe temperature can be easily detected to deduce a hydrate presence signal in this zone.
  • the processing module 23 calculates in real time the second derivative with respect to the time of the local time evolution 49 and compares this second derivative with predefined thresholds in order to develop an alert signal.
  • a hydrate presence warning signal is produced when the second derivative with respect to the time of the local time evolution 49 is between -1 ° C / hour 2 and -10 ° C / hour 2 , which corresponds to the detection of a negative slope break.
  • the local temporal evolution 49 is in the form of a pseudo-plateau 43 which is maintained until the complete fusion 44 of the hydrate cap.
  • the local temporal evolution 49 is in the form of a rapid temperature rise curve 41 which asymptotically matches the global temporal evolution 40. It has been found that as soon as the fusion is complete With the hydrate plug, the slope of the local time evolution 49 increases rapidly and strongly, so that it is possible to develop a complete fusion warning signal (end of fusion) from the speed of change in the time of this slope. For example, a signal Full melting alert is developed when the second derivative with respect to the time of the local time evolution is greater than + 1 ° C / hour 2 , preferably greater than + 2 ° C / hour 2 .
  • a second mode of operation relies on the implementation of a detection cycle comprising an overall cooling of the pipe.
  • global cooling is meant here that the heating means are not used to heat the pipe during this detection cycle.
  • the overall temporal evolution of the temperature of the transported fluid, estimated from the temperature measured by the sensor along the pipe then follows a law according to a continuously decreasing function, as opposed to the first mode Operating.
  • the detection of the formation of a hydrate in a given area of the pipe is based this time on two methods of treatment applied in parallel, namely the observation of a slope failure, in the opposite direction to the negative direction of global temporal evolution of the temperature of the fluid transported in the other surrounding areas (detection of an exothermic peak), and / or the observation of a fall below one-third of the ratio between on the one hand the absolute value of the slope of the local evolution of the temperature and on the other hand the absolute value of the slope of the global evolution (detection of a pseudo palliate).
  • the processing module 23 firstly determines the direction of the overall change in the temperature of the transported fluid as a function of time for a controlled driving portion. To do this, for example, a global time derivative of the temperature of the fluid transported on this portion of pipe is calculated by averaging the local time derivatives of the temperature values obtained for each zone considered along this portion and comparing the global time derivative at a predetermined threshold for evaluating the direction of the overall temporal evolution of the temperature of the fluid transported on this controlled driving portion.
  • the treatment module then switches to the first mode of operation corresponding to the implementation of the detection cycle in the context of global warming of the pipe, according to the principles explained above.
  • the processing module calculates a local time derivative of the temperature of the transported fluid for each considered zone of the driving portion, and then evaluates a rate of change over time of the local time derivative in order to detect a local endothermic peak during the global warming of the pipe, revealing the presence of a hydrate.
  • the processing module detects that the rate of change over time of the local time derivative of the temperature varies in a range of speeds for example between -1 ° C / hour 2 and -10 ° C / hour 2 during global warming of the pipe
  • the treatment module generates an alert signal for the presence of a hydrate cap, this warning signal being associated with information on the location of the hydrate cap according to the zone of the portion where the local exothermic peak was detected.
  • the processing module then switches to the second mode of operation corresponding to the implementation of the detection cycle in the context of an overall cooling of the pipe, according to the principles outlined above.
  • the processing module evaluates the rate of change over time of the local time derivative of the temperature of the fluid transported for each zone considered. of the pipe portion to detect this time a local exothermic peak during the overall cooling of the pipe, revealing the presence of a hydrate.
  • this rate of change over time of the local time derivative of the temperature varies within a range of speeds of, for example, between +1 ° C / h 2 and + 10 ° C / h 2 during the overall cooling of the pipe
  • the processing module prepares a warning signal for the presence of a plug of hydrates, this warning signal being associated with a hydrate cap location information according to the area of the pipe portion where the peak has been detected. local exothermic.
  • the warning signal produced by the processing module 23 is supplied to an output interface 27 of the processing module 23.
  • an alert signal for the presence of a hydrate cap can be emitted sufficiently early and reliably, following the evolution of the rate of change. in the time of the local time derivative of the temperature of the fluid transported for each zone considered of the pipe portion in the case of global warming or global cooling of this pipe portion.
  • the warning signal delivered by the processing module 23 then makes it possible to apply measures intended to combat the formation of hydrates in the pipe.
  • the heating means associated with the pipe are used to raise the temperature of the fluids above the dissociation temperature.
  • hydrate inhibitors can be injected into the pipe.

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Abstract

L'invention concerne un procédé de détection de présence d'un bouchon d'hydrates (16) dans une conduite (12) de transport de fluide d'hydrocarbure, comprenant un suivi temporel en continu de l'évolution de la température du fluide transporté le long d'une portion (29) de conduite et une comparaison entre, d'une part, l'évolution temporelle locale de la température le long d'une zone particulière de la portion (29) de conduite et, d'autre part, l'évolution temporelle globale de la température le long de la portion de conduite, de façon à identifier les zones pour lesquelles l'évolution temporelle locale de la température est significativement différente de l'évolution temporelle globale de la température, mais aussi pour lesquelles cette différence répond à des critères spécifiques permettant de déduire la présence d'un bouchon d'hydrate au niveau local.

Description

Procédé de détection de la présence d’hydrate de gaz dans une conduite destinée au transport do fluide d’hydrocarbure
La présente invention se rapporte à un procédé de détection de la présence d’hydrate dans une conduite destinée au transport de fluide d’hydrocarbure et à un dispositif de détection associé. La présente invention concerne notamment les conduites sous-marines pour véhiculer des fluides d’hydrocarbure entre une installation sous-marine et une installation marine de surface. D’une manière classique, le transport de fluides polyphasiques pétroliers entraîne le risque de formation d’un dépôt ou d’une phase solide à l’intérieur de la conduite, tel que des hydrates ou des paraffines. En particulier, le pétrole brut qui sort d’un puits de production contient toujours une petite partie d’eau et d’hydrocarbures légers (méthane, éthane, propane...) susceptibles de former un hydrate de gaz. Dans le cas des gisements localisés en eau profonde (plus de 1000 m de profondeur), les conditions de basse température et de haute pression rencontrées amènent le fluide pétrolier transporté par la conduite à entrer dans des conditions thermodynamiques de formation d’hydrates. Typiquement, ces hydrates peuvent se former lorsque la température est inférieure à 10°C et que la pression est supérieure à 50 bars. Par suite, en offshore profond, les pressions plus élevées et les températures plus basses sont particulièrement favorables à la formation d’hydrates. Les interruptions de production durant lesquelles les fluides refroidissent accroissent encore les risques de formation d’hydrates. Une détection tardive de la présence d’hydrates notamment par méconnaissance des conditions de leur formation dans les conduites, peut entraîner des problèmes de production coûteux. En effet les accumulations d’hydrates ainsi formés perturbent la circulation du fluide, pouvant aller jusqu’au bouchage complet de la conduite, ce qui engendre des pertes de revenus significatives pour l’exploitant. Une préoccupation majeure des exploitants est donc d’être en capacité d’évaluer ce risque, de façon à pouvoir garantir un bon écoulement des fluides en circulation dans la conduite en toutes circonstances. Jusqu’à aujourd’hui, plusieurs solutions ont été proposées afin de prévenir la formation des hydrates ou pour remédier au bouchage lorsqu’un bouchon se forme. Les mesures de prévention les plus communes reposent sur une combinaison de différents types d’approches : isolation thermique des conduites, injection d’additifs, réchauffement de la conduite par des moyens de chauffage associés à la conduite pour élever la température des fluides pétroliers au-dessus de la température de formation des hydrates.
Si malgré les mesures de prévention énoncées ci-dessus, un bouchon d’hydrate vient à se former, il faut procéder à sa dissociation pour déboucher la conduite. Une méthode connue consiste à chauffer localement la conduite à l’endroit où est détecté le bouchon pour le faire fondre.
Le document WO2016/188640 décrit une couverture amovible, destinée à être appliquée en regard d’une surface extérieure d’une conduite sous- marine posée sur le fond de l’eau, équipée d’une part, d’un système de chauffage, comportant des câbles chauffant par effet Joule, pour générer le chauffage nécessaire à la dissociation des bouchons d’hydrate et, d’autre part, d’un système de surveillance de la température le long de la conduite, basé sur des capteurs linéaires à fibres optiques de type capteurs de température distribuée (Distributed Température Sensing », en anglais), permettant de détecter et localiser les bouchons d’hydrate.
Cependant, on relève que ce document ne fournit aucun détail sur la manière dont la détection des bouchons d’hydrates peut être opérée à partir de l’exploitation des mesures de température effectuées par le système de surveillance de la température. Or, il est primordial que l’information fournie à l’exploitant soit la plus précise et la plus fiable possible pour lui permettre d’engager les mesures préventives ou curatives appropriées avant que la conduite soit rendue inopérante.
Un but de l’invention est donc de disposer d’une méthode permettant de surveiller et traiter efficacement, de manière simple et peu coûteuse, l’accumulation d’hydrates au sein d’une conduite de transport de fluide hydrocarbure, notamment immergée dans une étendue d’eau. Dans le but de résoudre ce problème, la présente invention propose un procédé de détection de présence d’hydrates dans une conduite de transport de fluide d’hydrocarbure, dans lequel on fournit un système de chauffage du fluide transporté par des moyens de chauffage disposés le long de la conduite et un système de mesure de température associé à la conduite, adapté pour fournir à intervalles réguliers des valeurs de température mesurées le long de la conduite, et dans lequel on détecte la présence d’au moins un bouchon d’hydrate dans la conduite à partir de l’exploitation desdites valeurs de température mesurées,
caractérisé en ce que :
on estime des valeurs de température du fluide transporté, distribuées le long de la conduite, à partir desdites valeurs de température mesurées,
on effectue un suivi temporel sensiblement en continu de l’évolution de la température du fluide transporté le long de la conduite, dans lequel :
on évalue, sur au moins une portion de la conduite, le sens d’une évolution temporelle globale de la température du fluide transporté à partir des valeurs de température du fluide distribuées le long de ladite portion,
on identifie au moins une zone de ladite portion de conduite pour laquelle une évolution temporelle locale de la température du fluide transporté présente une rupture de pente de sens opposé au sens de l’évolution temporelle globale de la température du fluide transporté pour ladite portion, et/ou on identifie au moins une zone de ladite portion de conduite pour laquelle une évolution temporelle locale de la température du fluide transporté présente une pente de valeur absolue au moins trois fois inférieure à la valeur absolue de la pente de révolution temporelle globale de la température du fluide transporté pour ladite portion, et
on élabore un signal d’alerte de présence d’un bouchon d’hydrates pour chaque zone identifiée.
Dans la présente demande, le terme « fluide transporté » désigne le fluide présent dans la conduite, indépendamment du fait que ce fluide soit apte ou non à circuler le long de la conduite du fait de la présence éventuelle d’un bouchon d’hydrate, et indépendamment de l’état liquide, gazeux ou même solide dudit fluide. La pente à l’instant considéré de l’évolution temporelle respectivement globale ou locale est égale à la dérivée première par rapport au temps, à l’instant considéré, de l’évolution temporelle respectivement globale ou locale.
Ainsi, une caractéristique de l’invention réside dans le suivi temporel de la température du fluide transporté par la conduite et dans la combinaison d’une analyse globale et d’une analyse locale de l’évolution de la température du fluide transporté en fonction du temps, respectivement au niveau d’au moins une portion de conduite et au niveau de zones locales considérées dans cette portion de conduite, afin de détecter précisément les conditions thermodynamiques de formation des hydrates. En effet, lors du changement d’état d’un hydrate, par exemple lors de sa dissociation ou de sa formation, en raison de la chaleur latente de fusion (ou de solidification) de l’hydrate, sa température reste à peu près constante tandis qu’à l’amorce de ce changement d’état, il est possible de détecter une inflexion brusque dans la courbe de température résultant du suivi temporel de l’évolution de la température du fluide transporté pour la zone considérée de la portion de conduite surveillée, cette inflexion se traduisant par une rupture de pente de sens opposée au sens de l’évolution temporelle globale de la température environnante du fluide transporté, et/ou par une diminution importante de la valeur absolue de la pente de l’évolution temporelle locale par rapport à la valeur absolue de la pente de l’évolution temporelle globale, de sorte que la valeur absolue de la pente de l’évolution temporelle locale devient alors inférieure au tiers de la valeur absolue de la pente de l’évolution temporelle globale.
En théorie, au niveau d’une zone dans laquelle un bouchon d’hydrates est en train de se dissocier (sous l’action d’un réchauffement global de la portion de conduite) ou de se former (sous l’action d’un refroidissement global de la portion de conduite), la température locale est constante et la pente de évolution temporelle locale est donc nulle. Cependant, il a été constaté que les procédés de détection basés uniquement sur la détection des zones dans lesquelles la pente de l’évolution temporelle locale est nulle (ou très faible) ne sont pas fiables, notamment parce que ce phénomène peut se produire en l’absence de bouchon d’hydrate lorsque la température globale est stabilisée. Autrement dit, une analyse locale de l’évolution de la température du fluide transporté en fonction du temps, ne permet pas à elle seule de détecter de façon fiable un bouchon d’hydrates. La combinaison selon la présente invention d’une analyse globale et d’une analyse locale de l’évolution de la température du fluide transporté en fonction du temps permet de fiabiliser la détection d’un bouchon d’hydrates en distinguant clairement la présence d’hydrates de la présence de liquide et de gaz.
Par exemple, durant un réchauffement global de la portion de conduite, la température du fluide dans les zones de cette portion de conduite dans lesquelles le fluide transporté est constitué de liquide ou de gaz, va augmenter de façon sensiblement uniforme et continue, tandis que la température dans les zones de cette portion de conduite comprenant un bouchon d’hydrates va évoluer selon deux modes possibles d’évolution.
Selon le premier mode d’évolution, lors d’un réchauffement global de la portion de conduite, la température locale dans la zone comprenant un bouchon d’hydrates reste sensiblement constante jusqu’à la fusion complète du bouchon d’hydrates en formant un pallier, ou bien elle augmente faiblement avec une vitesse de montée en température très inférieure à celle des autres zones dépourvues de bouchon d’hydrates, ce qui conduit à la formation d’un pseudo-pallier de température de faible pente positive. Le pallier ou le pseudo- pallier de température sont dus au fait que la réaction de fusion d’hydrates est endothermique. Ce premier mode d’évolution correspond au cas où la fusion se fait sans augmentation sensible de la pression régnant dans la partie centrale du bouchon, le gaz libéré par la fusion pouvant aisément s’écouler vers une zone voisine. Dans ce premier mode d’évolution, la valeur absolue de la pente de l’évolution temporelle locale est inférieure au tiers de la valeur absolue de la pente de l’évolution temporelle globale pendant au moins toute la phase initiale de la fusion du bouchon d’hydrates, ce qui permet de détecter la présence du bouchon d’hydrate dès le début de sa fusion.
Selon le deuxième mode d’évolution, lors d’un réchauffement global de la portion de conduite, la température locale dans la zone comprenant un bouchon d’hydrates décroît brutalement et rapidement de quelques degrés peu après l’amorce de la fusion du bouchon d’hydrates, en formant un pic endothermique. Ce pic endothermique est ensuite suivi par un pseudo-pallier de température similaire à celui du premier mode d’évolution qui se poursuit tant que le bouchon n’est pas complètement dissocié (fondu). Ce mode correspond au cas où pendant la phase initiale de la fusion, le gaz libéré par la fusion de la partie centrale du bouchon d’hydrates est bloqué dans le bouchon et n’arrive pas à s’écouler librement vers une zone voisine. Par suite, la pression dans la partie centrale du bouchon augmente sensiblement pendant la phase initiale de la fusion jusqu’à ce que la fusion des parties périphériques du bouchon ait créé un ou plusieurs canaux permettant au gaz présent dans la partie centrale du bouchon de s’écouler vers une zone voisine. Ceci provoque alors à une chute de pression rapide et brutale dans la partie centrale du bouchon. Ce phénomène de dépressurisation rapide étant endothermique, il conduit à une chute de température et à la formation du pic endothermique. Ce pic endothermique est avantageusement révélé par une rupture de pente, qui devient négative, dans l’évolution temporelle locale de la température du fluide transporté pour la zone considérée, qui s’oppose à la pente positive de l’évolution temporelle globale de la température du fluide transporté dans cette portion de conduite soumise à un réchauffement global, ce qui permet de détecter la présence du bouchon d’hydrate peu après l’amorce de la fusion. Ce pic endothermique est ensuite suivi par un pseudo-pallier de température similaire à celui du premier mode d’évolution qui se poursuit tant que le bouchon n’est pas complètement dissocié.
Selon un autre exemple, durant un refroidissement global de la portion de conduite, la température du fluide dans les zones de cette portion de conduite dans lesquelles le fluide transporté est constitué de liquide ou de gaz, va décroître de façon sensiblement uniforme et continue, tandis que la température dans les zones de cette portion de conduite comprenant un bouchon d’hydrates en cours de formation va aussi évoluer selon deux modes possibles d’évolution.
Selon le premier mode d’évolution, lors d’un refroidissement global de la portion de conduite, la température locale dans la zone comprenant un bouchon d’hydrates en cours de formation reste sensiblement constante pendant toute la durée de la formation du bouchon d’hydrate (pallier de température de pente nulle), ou bien elle diminue faiblement avec une vitesse de baisse de température très inférieure à celle des autres zones dépourvues de bouchon d’hydrate (pseudo-pallier de température de faible pente négative). Dans ce premier mode d’évolution, la valeur absolue de la pente de évolution temporelle locale est inférieure au tiers de la valeur absolue de la pente de l’évolution temporelle globale pendant au moins toute la phase initiale de la formation du bouchon d’hydrates, ce qui permet de détecter la présence du bouchon d’hydrate dès le début de sa formation.
Selon le deuxième mode d’évolution, lors d’un refroidissement global de la portion de conduite, la température locale dans la zone comprenant un bouchon d’hydrates augmente brutalement et rapidement de quelques degrés peu après l’amorce de la formation du bouchon d’hydrates, en formant un pic exothermique. Ce pic exothermique est avantageusement révélé par une rupture de pente, qui devient positive, dans l’évolution temporelle locale de la température du fluide transporté pour la zone considérée, qui s’oppose à la pente négative de l’évolution temporelle globale de la température du fluide transporté dans cette portion de conduite soumise à un refroidissement global, ce qui permet de détecter la présence du bouchon d’hydrate peu après l’amorce de la formation. Ce pic exothermique est ensuite suivi par un pseudo- pallier de température similaire à celui du premier mode d’évolution, qui se poursuit tant que le bouchon n’est pas complètement formé.
Autrement dit, conformément à l’invention, la détection d’un pic endothermique local pendant un réchauffement global de la conduite et/ou la détection d’un pic exothermique local pendant un refroidissement global de la conduite, permet d’identifier les zones correspondantes de la conduite dans lesquelles un bouchon d’hydrates est présent, soit qu’il soit en train de se dissocier ou de se former.
De plus, avantageusement, la longueur de ladite portion de conduite est supérieure à 500 mètres, plus avantageusement supérieure à 1000 mètres, préférentiellement supérieure à 2000 mètres. En effet, afin d’améliorer la fiabilité de détection des bouchons d’hydrates, il est avantageux que la longueur de la portion de conduite sur laquelle est faite l’analyse thermique globale soit nettement supérieure à la longueur d’un bouchon d’hydrates, qui est typiquement de l’ordre de quelques dizaines de mètres. En outre, avantageusement, lesdites valeurs de température mesurées sont distribuées le long de ladite conduite avec une périodicité spatiale inférieure à 10 mètres, plus avantageusement inférieure à 5 mètres, encore plus avantageusement inférieure à 2 mètres et préférentiellement inférieure à 1 mètre. Cette caractéristique permet notamment de disposer de plusieurs points de mesure le long d’un éventuel bouchon d’hydrates, ce qui améliore la fiabilité de détection des bouchons d’hydrates.
Selon un mode de réalisation de l’invention, pour estimer les valeurs de température du fluide transporté, distribuées le long de la conduite, à partir des valeurs de température mesurées le long de la conduite on établit un modèle thermique de la conduite apte à calculer une valeur de température le long de la conduite en fonction d’une pluralité de données fournies en entrée dudit modèle thermique parmi lesquelles des données d’entrée inconnues comportant au moins la température du fluide transporté et on teste toutes les combinaisons de données d’entrée possibles jusqu’à déterminer une combinaison de données d’entrée qui fournit en sortie dudit modèle thermique une valeur de température calculée égale à la valeur de température mesurée.
Ainsi, la température du fluide transporté retenue en tant que donnée d’entrée inconnue du modèle thermique dans ladite combinaison appliquée, qui permet de conduire à une valeur de température calculée par le modèle égale à la valeur de température mesurée pour une zone donnée le long de la conduite, est considérée comme étant la température du fluide transporté à l’intérieur de la conduite pour ladite zone. On peut ainsi aisément estimer la température du fluide transporté au sein du passage interne de la conduite le long de celle-ci, à partir des valeurs de température mesurées le long de la conduite fournies par le système de mesure.
Avantageusement, on calcule une dérivée temporelle globale de la température du fluide transporté sur ladite portion de conduite à partir d’une moyenne des dérivées temporelles locales des valeurs de température du fluide transporté distribuées le long de ladite portion et on utilise le signe de ladite dérivée temporelle globale et la comparaison de la valeur absolue de ladite dérivée temporelle globale avec un seuil prédéterminé pour évaluer le sens de l’évolution temporelle globale de la température du fluide transporté sur ladite portion de conduite.
Lorsque le signe de ladite dérivée temporelle globale est positif et qu’en outre la valeur absolue de ladite dérivée temporelle globale est supérieure audit seuil prédéterminé, on déduit que le sens de l’évolution temporelle globale est croissant (ou positif), ce qui correspond à une phase de réchauffement global de la portion de conduite. Lorsque le signe de ladite dérivée temporelle globale est négatif et qu’en outre la valeur absolue de ladite dérivée temporelle globale est supérieure audit seuil prédéterminé, on déduit que le sens de l’évolution temporelle globale est décroissant (ou négatif), ce qui correspond à une phase de refroidissement global de la portion de conduite. Lorsque la valeur absolue de ladite dérivée temporelle globale est inférieure audit seuil prédéterminé, on déduit que le sens de l’évolution temporelle globale est stable (ou neutre) ce qui correspond à une phase pendant laquelle la température moyenne globale de la portion de conduite est sensiblement constante. En outre, ledit seuil prédéterminé est avantageusement égal à 0,02 °C/heure, préférentiellement égal à 0,05 °C/heure. L’emploi de ce seuil prédéterminé vise à rendre plus robuste l’estimation du sens de l’évolution temporelle globale en fonction de la précision des mesures des températures et/ou du modèle thermique utilisé.
Avantageusement, on calcule une dérivée temporelle locale de la température du fluide transporté pour chaque zone considérée de ladite portion de conduite, on évalue une vitesse de changement dans le temps de ladite dérivée temporelle locale et on élabore ledit signal d’alerte résultant de la détection d’une rupture de pente de sens opposé au sens de l’évolution temporelle globale de la température du fluide transporté pour ladite portion de conduite lorsqu’on détecte que ladite vitesse de changement dans le temps de ladite dérivée temporelle locale varie dans un intervalle de vitesses prédéterminé.
La dérivée temporelle locale de la température du fluide transporté, exprimée en °C/heure, est égale à la dérivée première par rapport au temps de la température locale du fluide transporté, et est aussi égale à la pente de évolution temporelle locale de la température du fluide transporté. La vitesse de changement dans le temps de la dérivée temporelle locale de la température du fluide transporté, exprimée en °C/heure2, est égale à la dérivée seconde par rapport au temps de la température locale du fluide transporté.
De préférence, ledit intervalle de vitesses prédéterminé est compris entre -1 °C /heure2 et -10°C / heure2 pour la détection d’une rupture de pente négative.
De préférence, ledit intervalle de vitesses prédéterminé est compris entre + 1 °C /heure2 et + 10 °C / heure2 pour la détection d’une rupture de pente positive.
Selon un mode de réalisation, on fournit un système de chauffage et un système de mesure de température intégrés à la conduite.
Selon une variante, on fournit un système de chauffage et un système de mesure de température portés par une couverture amovible propre à s’appliquer en regard d’une surface extérieure de la conduite.
L’invention concerne également un dispositif de de détection de la présence d’hydrates dans une conduite de transport de fluide, comprenant des moyens de chauffage disposés le long de la conduite, un système de mesure de température associé à la conduite, adapté pour fournir à intervalles réguliers des valeurs de température mesurées le long de la conduite et un module de traitement desdites valeurs de température mesurées adapté à exploiter lesdites valeurs de température mesurées pour détecter la présence d’au moins un bouchon d’hydrate dans la conduite, caractérisé en ce que ledit module de traitement est adapté à calculer des valeurs de température du fluide transporté, distribuées le long de la conduite, à partir desdites valeurs de température mesurées et à effectuer un suivi temporel sensiblement en continu de l’évolution de la température du fluide transporté le long de la conduite, ledit module de traitement étant apte à évaluer le sens d’une évolution temporelle globale de la température du fluide transporté sur au moins une portion de la conduite à partir des valeurs de température du fluide transporté distribuées le long de ladite portion et à élaborer un signal d’alerte de présence d’un bouchon d’hydrates, lorsqu’une évolution temporelle locale de la température du fluide transporté pour une zone considérée de ladite portion de conduite présente une rupture de pente de sens opposé au sens de l’évolution temporelle globale de la température du fluide transporté pour ladite portion, et/ou lorsque l’évolution temporelle locale de la température du fluide transporté pour une zone considérée de ladite portion de conduite présente une pente de valeur absolue au moins trois fois inférieure à la valeur absolue de la pente de l’évolution temporelle globale de la température du fluide transporté pour ladite portion.
D’autres particularités et avantages de l’invention ressortiront à la lecture de la description faite ci-après d’un mode de réalisation particulier de l’invention, donné à titre indicatif mais non limitatif, en référence aux dessins annexés sur lesquels :
- la Figure 1 est une vue schématique du dispositif de détection selon l’invention;
- la Figure 2 est une deuxième vue schématique du dispositif de détection selon l’invention ;
la Figure 3 est un premier chronogramme représentant les courbes d’évolution temporelle globale et locale de la température du fluide transporté au niveau d’une portion de conduite en cours de réchauffement comportant un bouchon d’hydrates, ces courbes étant obtenues à partir des valeurs de température mesurées par le système de mesure de température associée à la conduite, qui sont discrétisées le long de la direction longitudinale de la conduite;
- la Figure 4 est un deuxième chronogramme représentant les courbes d’évolution temporelle globale et locale de la température du fluide transporté au niveau d’une portion de conduite en cours de réchauffement comportant un bouchon d’hydrates.
Le dispositif de détection 20 selon l’invention est illustré schématiquement sur la figure 1. Il est destiné à être utilisé dans une installation off-shore 10 d’exploitation de fluide d’hydrocarbures comportant au moins une conduite 12 posée sur le fond marin 13 et/ou au moins partiellement enterrée dans le fond marin 13. Il s’agit par exemple d’une conduite de production (« flowline » selon la terminologie anglo-saxonne) raccordant un ensemble de collecte de fluide (non représenté) à une colonne montante (non représentée). La conduite 12 peut par exemple être une conduite rigide formée d’au moins un tube métallique ou peut être une conduite flexible, comprenant au moins une gaine de pression en matériau thermoplastique et des armures de renfort. La conduite 12 délimite un passage interne 14 de circulation de fluide. Le fluide circulant dans la conduite est par exemple un fluide d’hydrocarbure comprenant au moins un composé susceptible de se solidifier, en particulier sous la forme d’hydrate de gaz ou de paraffine, dans le passage interne 14 sous certaines conditions de température et de pression, notamment en condition de haute pression et de basse température. Ainsi, lors du transport dans la conduite sous-marine au contact avec de l’eau froide, le fluide d’hydrocarbure se refroidit et ce refroidissement progressif peut amener le fluide à entrer dans des conditions thermodynamiques de formation d’hydrate ou de paraffine. Ces composés solidifiés sont susceptibles de s’accumuler sur les parois internes de la conduite et dans certains cas, de former au moins un bouchon 16, représenté schématiquement sur la figure 2, pouvant provoquer un blocage complet de l’écoulement de la conduite.
Le dispositif de détection 20 vise à détecter la présence et/ou la formation de ces bouchons d’hydrate pour traiter ces bouchons et remédier au bouchage de la conduite manière préventive. Le dispositif de détection 20 comprend un système de chauffage 21 du fluide transporté par des moyens de chauffage 28 (représentés schématiquement à la figure 2) disposés le long de la conduite 12 et un système de mesure 22 de température associé à la conduite 12, adapté pour fournir des valeurs de température mesurées le long de la conduite, en fonction du temps.
Les moyens de chauffage 28 sont destinés à interagir avec la conduite pour la chauffer, par exemple par effet Joule. Ils comportent au moins un élément longitudinal de chauffage de type câble chauffant électriquement conducteur agencé le long de la conduite.
Le système de mesure de température 22 comprend par exemple un ou des capteurs linéaires à fibres optiques de type capteurs de température distribuée (Distributed Température Sensing », en anglais) agencés le long de la conduite. Ce type de capteur, fonctionnant selon un principe de réflectométrie Raman ou Brillouin, permet de produire, par exemple toutes les 30 secondes, un signal 24 représentatif de la température locale mesurée le long de la conduite avec une résolution spatiale par exemple de 1 m. Selon d’autres variantes permettant de mettre en œuvre la présente invention, le système de mesure comprend par exemple un grand nombre de capteurs à fibre optique de mesure de température du type réseaux de Bragg agencés le long de la conduite, ou encore un grand nombre de capteurs électriques de mesure de température du type thermocouple ou thermistance agencés le long de la conduite.
Les éléments longitudinaux de chauffage de la conduite et les capteurs linéaires à fibre optique pour la mesure de la température le long de la conduite peuvent être incorporés à la conduite ou bien, si cette dernière n’est pas déjà équipée de tels moyens intégrés, peuvent être portés par une couverture chauffante amovible 25 (représentée schématiquement à la figure 2), du type de celle décrite par le document WO2016/188640, destinée à être déployée le long d’au moins une portion de la conduite 12, de façon à la recouvrir.
Le signal représentatif des valeurs de température mesurées par le système de mesure 22 est communiqué à un module de traitement 23, apte à stocker ces valeurs de température mesurées et à les traiter. Le module de traitement 23 analyse les valeurs de température mesurées et estime la température du fluide transporté dans le passage interne de la conduite à partir de ces valeurs mesurées localement le long de la conduite.
En effet, le capteur de mesure de la température, qu’il soit agencé sur la couverture amovible destinée à recouvrir la conduite 12 ou qu’il soit incorporé à la conduite 12, ne fournit pas directement la mesure de la température du fluide transporté dans le passage interne 14, mais une mesure de la température locale à l’extérieur du passage interne 14, le long de la conduite. L’estimation de la température du fluide transporté à partir des valeurs de température mesurées est basée sur un modèle thermique 26 préétabli et stocké dans le module de traitement 23. Ce modèle thermique 26 est conçu pour être un modèle à entrées connues, d’une part et à entrées inconnues et à entrées supposées, d’autre part, représentant le comportement thermique du système de conduite dans son environnement, et ayant comme donnée de sortie la température mesurée localement le long de la conduite, l’ensemble des données d’entrées connues, inconnues et supposées influençant ladite température locale le long de la conduite. Les entrées connues sont des données qui peuvent être mesurées ou qui sont connues de la conception même de la conduite, telle que par exemple des données se rapportant aux propriétés thermiques du système de chauffage, ainsi qu’aux propriétés thermiques de la conduite (conductivité thermique, capacité calorifique, etc.). Les entrées supposées sont des paramètres qui ne sont pas mesurés mais que l’on peut estimer avec un haut niveau de confiance (par exemple, la température de l’eau de mer ambiante, les propriétés thermiques du fond marin). Les entrées inconnues du modèle sont des paramètres qui ne sont pas mesurés et qui doivent être déterminés, parmi lesquels la température du fluide transporté. Le modèle thermique permet de convertir les valeurs de température mesurées par le système de mesure le long de la conduite en valeurs de température du fluide transporté.
Pour ce faire, on définit toutes les combinaisons possibles de données d’entrée connues, inconnues et supposées, on fournit ces combinaisons en entrée du modèle thermique 26 et on sélectionne la meilleure combinaison parmi l’ensemble des combinaisons définies, à savoir celle qui permet d’obtenir en sortie du modèle thermique une valeur de température le long de la conduite, dite valeur calculée, égale à la valeur de température mesurée le long de la conduite par le capteur de mesure, dite valeur mesurée. La combinaison sélectionnée permet de fournir les données d’entrée inconnues et, en particulier, la température du fluide transporté dans le passage interne 14 de la conduite 12 pour laquelle le modèle fournit en sortie une valeur calculée égale à la valeur mesurée. Autrement dit, on teste toutes les entrées possibles du modèle 26 jusqu’à ce que la sortie du modèle corresponde à la valeur mesurée afin d’estimer les valeurs de température du fluide transporté dans le passage interner le long de la conduite.
On se reportera aux figures 2, 3 et 4 afin de décrire l’analyse en fonction du temps de ces valeurs estimées de température du fluide transporté le long de la conduite.
L’analyse permettant de détecter la présence d’un bouchon d’hydrates et de déterminer son emplacement le long de la conduite repose sur un suivi temporel sensiblement en continu de l’évolution de la température du fluide transporté le long d’une portion de conduite de grande longueur et sur une comparaison entre, d’une part, l’évolution temporelle locale de la température le long d’une zone particulière de la portion de conduite et, d’autre part, évolution temporelle globale de la température le long de la portion de conduite. Cette comparaison vise à identifier les zones pour lesquelles non seulement l’évolution temporelle locale de la température est significativement différente de l’évolution de l’évolution temporelle globale de la température, mais aussi pour lesquelles cette différence répond à des critères spécifiques permettant de déduire la présence d’un bouchon d’hydrate au niveau local.
Un premier mode de fonctionnement repose sur la mise en œuvre d’un cycle de détection comprenant un réchauffement de la conduite, par l’intermédiaire des moyens de chauffage 28 associés à la conduite 12. La portion de conduite 29 représentée à la figure 2 est délimitée par deux extrémités de portion de conduite 17,18. La longueur de la portion de conduite
29 est avantageusement supérieure à 500m, préférentiellement supérieure à 1000m. Dans l’exemple de la Figure 2, la portion de conduite 29 comporte un bouchon d’hydrates 16 de longueur très inférieure à la longueur de la portion de conduite. En référence aux figures 3 et 4, l’évolution temporelle globale 30, 40 de la température du fluide transporté le long de la portion 29 de conduite est la moyenne le long de la portion 29 de conduite des évolutions temporelles locales déterminées par le module de traitement 23 à partir des mesures distribuées de température effectuées par le système de mesure 22. L’évolution temporelle globale 30, 40 de la température est une fonction continûment croissante du fait du réchauffement global de la portion 29 de conduite par les moyens de chauffage 28. L’évolution temporelle locale 39, 49 de la température au niveau du bouchon d’hydrates 16 peut suivre deux modes principaux d’évolution.
Selon un premier mode d’évolution du premier mode de fonctionnement qui est illustrée par la figure 3, l’évolution temporelle locale 39 de la température au niveau du bouchons d’hydrates 16 devient significativement différente de l’évolution temporelle globale 30 dès le début de la fusion 32 du bouchon. Dès le début de la fusion 32 du bouchon d’hydrates, l’évolution temporelle locale 39 se présente sous la forme d’un pseudo pallier 33 de température qui se maintient jusqu’à la fusion complète 34 du bouchon d’hydrates.
Peu après le début de la fusion 32, juste avant le pseudo-pallier 33, la pente de l’évolution temporelle locale 39 chute rapidement et fortement par rapport à la pente de l’évolution temporelle globale 30. En pratique, il a été constaté que la pente de l’évolution temporelle locale 39 devient inférieure à un tiers de la pente de l’évolution temporelle globale 30 peu après le début de la fusion 32. Ceci permet d’élaborer un signal d’alerte de la présence d’un bouchon d’hydrates lorsque l’évolution temporelle locale 39 de la température du fluide transporté présente une pente de valeur absolue au moins trois fois inférieure à la valeur absolue de la pente de l’évolution temporelle globale 30 du fluide transporté pour la portion 29 de conduite.
Une fois le bouchon d’hydrates complètement fondu, l’évolution temporelle locale 39 se présente sous la forme d’une courbe de remontée rapide en température 31 qui rejoint asymptotiquement l’évolution temporelle globale 30. Il a été constaté que dès que la fusion compète 34 du bouchon d’hydrates, la pente de l’évolution temporelle locale 39 augmente rapidement et fortement, de sorte qu’il est possible d’élaborer un signal d’alerte de fusion complète (fin de fusion) à partir de la vitesse de changement dans le temps de cette pente. Par exemple, un signal d’alerte de fusion complète est élaboré lorsque la dérivée seconde par rapport au temps de l’évolution temporelle locale est supérieure à +1 °C/heure2, avantageusement supérieure à +2°C/heure2.
Selon un deuxième mode d’évolution du premier mode de fonctionnement qui est illustrée par la figure 4, l’évolution temporelle locale 49 de la température au niveau du bouchons d’hydrates 16 devient significativement différente de l’évolution temporelle globale 40 peu après le début de la fusion 42 du bouchon, l’évolution temporelle locale 49 se présentant alors sous la forme d’un pic endothermique 48 suivi d’un pseudo pallier 43 qui se maintient jusqu’à la fusion complète 44 du bouchon d’hydrates. Il a été découvert que ce pic endothermique 48 est lié à la dépressurisation rapide et brutale de la partie centrale du bouchon peu après le début de la fusion 42. Ce phénomène est dû au fait que le gaz libéré par la fusion de la partie centrale du bouchon d’hydrates 16 est initialement bloqué et ne peut pas s’écouler librement vers une zone voisine. Dans le cas de la figure 4, cette zone de blocage initial des gaz correspond à la partie de la courbe d’évolution temporelle locale 40 comprise entre les points 42 et 47. A partir du point 47, le gaz commence à s’évacuer vers au moins une zone voisine via au moins un canal généré par la fusion du bouchon d’hydrates. La dépressurisation a ensuite lieu entre les points 47 et 48, ce qui provoque le pic endothermique 48 car la dépressurisation rapide d’un gaz est un phénomène endothermique.
Ce pic endothermique 48 est révélé par une rupture de pente, de sens opposé au sens positif de l’évolution temporelle globale 40 de la température du fluide transporté dans la portion 29 de conduite. Cette variation (diminution) rapide et brutale de la température du fluide transporté pour une zone donnée lors de l’élévation de température de la conduite peut être aisément détectée pour en déduire un signal de présence d’hydrate dans cette zone. Avantageusement, le module de traitement 23 calcule en temps réel la dérivée seconde par rapport au temps de l’évolution temporelle locale 49 et compare cette dérivée seconde avec des seuils prédéfinis afin d’élaborer un signal d’alerte. Avantageusement, lorsque le sens de l’évolution globale 40 est positif (réchauffement global), un signal d’alerte de présence d’hydrate est élaboré lorsque la dérivée seconde par rapport au temps de l’évolution temporelle locale 49 est comprise entre -1 °C /heure2 et -10°C / heure2, ce qui correspond à la détection d’une rupture de pente négative.
Après le pic endothermique 48, l’évolution temporelle locale 49 se présente sous la forme d’un pseudo-pallier 43 qui se maintient jusqu’à la fusion complète 44 du bouchon d’hydrates. Une fois le bouchon d’hydrates complètement fondu, l’évolution temporelle locale 49 se présente sous la forme d’une courbe de remontée rapide en température 41 qui rejoint asymptotiquement l’évolution temporelle globale 40. Il a été constaté que dès la fusion compète 44 du bouchon d’hydrates, la pente de l’évolution temporelle locale 49 augmente rapidement et fortement, de sorte qu’il est possible d’élaborer un signal d’alerte de fusion complète (fin de fusion) à partir de la vitesse de changement dans le temps de cette pente. Par exemple, un signal d’alerte de fusion complète est élaboré lorsque la dérivée seconde par rapport au temps de l’évolution temporelle locale est supérieure à + 1 °C /heure2, avantageusement supérieure à + 2°C /heure2.
Un deuxième mode de fonctionnement repose sur la mise en œuvre d’un cycle de détection comprenant un refroidissement global de la conduite. Par refroidissement global, on entend ici que les moyens de chauffage ne sont pas utilisés pour réchauffer la conduite pendant ce cycle de détection. Selon ce deuxième mode de fonctionnement, l’évolution temporelle globale de la température du fluide transporté, estimée à partir de la température mesurée par le capteur le long de la conduite, suit alors une loi selon une fonction continûment décroissante, par opposition au premier mode de fonctionnement. La détection de la formation d’un hydrate dans une zone donnée de la conduite repose cette fois sur deux méthodes de traitement appliquées en parallèle à savoir l’observation d’une rupture de pente, de sens opposé au sens négatif de évolution temporelle globale de la température du fluide transporté dans les autres zones environnantes (détection d’un pic exothermique), et/ou l’observation d’une chute en dessous de un tiers du ratio entre d’une part la valeur absolue de la pente de l’évolution locale de la température et d’autre part la valeur absolue de la pente de l’évolution globale (détection d’un pseudo pallier).
La méthode de détection de présence de bouchons d’hydrates basée sur la détection d’un pic exothermique local pendant un refroidissement global et/ou sur la détection d’un pic endothermique local pendant un réchauffement global présente une grande fiabilité. Pour mettre en œuvre cette méthode, le module de traitement 23 détermine en premier lieu le sens de l’évolution globale de la température du fluide transporté en fonction du temps pour une portion de conduite contrôlée. Pour ce faire, on calcule, par exemple, une dérivée temporelle globale de la température du fluide transporté sur cette portion de conduite en effectuant une moyenne des dérivées temporelles locales des valeurs de température obtenues pour chaque zone considérée le long de cette portion et on compare la dérivée temporelle globale à un seuil prédéterminé pour évaluer le sens de l’évolution temporelle globale de la température du fluide transporté sur cette portion de conduite contrôlée. Si la dérivée temporelle globale de la température du fluide transporté sur la portion de conduite contrôlée est positive, ou à tout le moins est supérieure à un seuil positif prédéterminé, on considère être dans une situation de réchauffement global de la portion de conduite contrôlée. Le module de traitement bascule alors dans le premier mode de fonctionnement correspondant à la mise en œuvre du cycle de détection dans le cadre d’un réchauffement global de la conduite, selon les principes exposés ci-dessus.
Selon un exemple de mise en œuvre, le module de traitement calcule une dérivée temporelle locale de la température du fluide transporté pour chaque zone considérée de la portion de conduite, puis évalue une vitesse de changement dans le temps de la dérivée temporelle locale afin de détecter un pic endothermique local pendant le réchauffement global de la conduite, révélateur de la présence d’un hydrate. Ainsi, lorsque le module de traitement détecte que la vitesse de changement dans le temps de la dérivée temporelle locale de la température varie dans un intervalle de vitesses compris par exemple entre -1 °C / heure2 et -10 °C / heure2 pendant le réchauffement global de la conduite, le module de traitement élabore un signal d’alerte de présence d’un bouchon d’hydrates, ce signal d’alerte étant associé à une information de localisation du bouchon d’hydrates selon la zone de la portion de conduite où a été détecté le pic exothermique local.
Par contre, si la dérivée temporelle globale de la température du fluide transporté sur la portion de conduite contrôlée est négative, ou à tout le moins est inférieure à un seuil négatif prédéterminé, on considère être cette fois dans une situation de refroidissement global de la portion de conduite contrôlée. Le module de traitement bascule alors dans le deuxième mode de fonctionnement correspondant à la mise en œuvre du cycle de détection dans le cadre d’un refroidissement global de la conduite, selon les principes exposés ci-dessus.
De la même façon que pour l’exemple de mise en œuvre fourni en référence au premier mode de fonctionnement, le module de traitement évalue alors la vitesse de changement dans le temps de la dérivée temporelle locale de la température du fluide transporté pour chaque zone considérée de la portion de conduite afin de détecter cette fois un pic exothermique local pendant le refroidissement global de la conduite, révélateur de la présence d’un hydrate. Lorsque cette vitesse de changement dans le temps de la dérivée temporelle locale de la température varie dans un intervalle de vitesses compris par exemple entre +1 °C / heure2 et +10 °C / heure2 pendant le refroidissement global de la conduite, le module de traitement élabore un signal d’alerte de présence d’un bouchon d’hydrates, ce signal d’alerte étant associé à une information de localisation du bouchon d’hydrates selon la zone de la portion de conduite où a été détecté le pic exothermique local.
Le signal d’alerte élaboré par le module de traitement 23 est fourni à une interface de sortie 27 du module de traitement 23.
Ainsi, selon l’exemple de mise en œuvre, on comprend qu’un signal d’alerte de présence d’un bouchon d’hydrates peut être émis suffisamment tôt et de de manière fiable, en suivant l’évolution de la vitesse de changement dans le temps de la dérivée temporelle locale de la température du fluide transporté pour chaque zone considérée de la portion de conduite dans le cas d’un réchauffement global ou d’un refroidissement global de cette portion de conduite.
Le signal d’alerte délivré par le module de traitement 23 permet alors d’appliquer des mesures destinées à combattre la formation des hydrates dans la conduite.
Par exemple, suivant un premier mode de mise en œuvre, on utilise les moyens de chauffage associés à la conduite pour élever la température des fluides au dessus de la température de dissociation.
Suivant un autre mode de mise en œuvre, on peut injecter des inhibiteurs d’hydrates dans la conduite.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de détection de la présence d’hydrates dans une conduite (12) de transport de fluide d’hydrocarbure, dans lequel on fournit un système de chauffage (21 ) du fluide transporté par des moyens de chauffage (28) disposés le long de la conduite et un système de mesure de température (22) associé à la conduite, adapté pour fournir à intervalles réguliers des valeurs de température mesurées le long de la conduite, et dans lequel on détecte la présence d’au moins un bouchon d’hydrate (16) dans la conduite à partir de l’exploitation desdites valeurs de température mesurées,
caractérisé en ce que :
on estime des valeurs de température du fluide transporté, distribuées le long de la conduite, à partir desdites valeurs de température mesurées,
on effectue un suivi temporel sensiblement en continu de l’évolution de la température du fluide transporté le long de la conduite, dans lequel :
on évalue, sur au moins une portion (29) de la conduite, le sens d’une évolution temporelle globale (30, 40) de la température du fluide transporté à partir des valeurs de température du fluide distribuées le long de ladite portion (29),
on identifie au moins une zone de ladite portion (29) de conduite pour laquelle une évolution temporelle locale (39, 49) de la température du fluide transporté présente une rupture de pente de sens opposé au sens de évolution temporelle globale de la température (30, 40) du fluide transporté pour ladite portion, et/ou on identifie au moins une zone de ladite portion de conduite pour laquelle une évolution temporelle locale (39, 49) de la température du fluide transporté présente une pente de valeur absolue au moins trois fois inférieure à la valeur absolue de la pente de l’évolution temporelle globale (30, 40) de la température du fluide transporté pour ladite portion, et
on élabore un signal d’alerte de présence d’un bouchon d’hydrate pour chaque zone identifiée.
2. Procédé selon la revendication 1 , caractérisé en ce que, pour estimer les valeurs de température du fluide transporté, distribuées le long de la conduite, à partir des valeurs de température mesurées le long de la conduite, on établit un modèle thermique (26) de la conduite apte à calculer une valeur de température le long de la conduite en fonction d’une pluralité de données fournies en entrée dudit modèle thermique parmi lesquelles des données d’entrée inconnues comportant au moins la température du fluide transporté et on teste toutes les combinaisons de données d’entrée possibles jusqu’à déterminer une combinaison de données d’entrée qui fournit en sortie dudit modèle thermique une valeur de température calculée égale à la valeur de température mesurée.
3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu’on calcule une dérivée temporelle globale de la température du fluide transporté sur ladite portion de conduite à partir d’une moyenne des dérivées temporelles locales des valeurs de température du fluide transporté distribuées le long de ladite portion et on utilise le signe de ladite dérivée temporelle globale et la comparaison de la valeur absolue de ladite dérivée temporelle globale avec un seuil prédéterminé pour évaluer le sens de l’évolution temporelle globale (30, 40) de la température du fluide transporté sur ladite portion (29) de conduite.
4. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’on calcule une dérivée temporelle locale de la température du fluide transporté pour chaque zone considérée de ladite portion de conduite, on évalue une vitesse de changement dans le temps de ladite dérivée temporelle locale et on élabore ledit signal d’alerte résultant de la détection d’une rupture de pente de sens opposé au sens de l’évolution temporelle globale de la température du fluide transporté pour ladite portion de conduite lorsqu’on détecte que ladite vitesse de changement dans le temps de ladite dérivée temporelle locale varie dans un intervalle de vitesses prédéterminé.
5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que ledit intervalle de vitesses prédéterminé est compris entre -1 °C /heure2 et -10°C / heure2 pour la détection d’une rupture de pente négative.
6. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que ledit intervalle de vitesses prédéterminé est compris entre + 1 °C /heure2 et + 10 °C / heure2 pour la détection d’une rupture de pente positive.
7. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’on fournit un système de chauffage (21 ) et un système de mesure de température (22) intégrés à la conduite.
8. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu’on fournit un système de chauffage (21 ) et un système de mesure de température (22) portés par une couverture amovible (25) propre à s’appliquer en regard d’une surface extérieure de la conduite.
9. Dispositif de de détection (20) de la présence d’hydrates dans une conduite (12) de transport de fluide d’hydrocarbure, comprenant des moyens de chauffage (28) disposés le long de la conduite, un système de mesure de température (22) associé à la conduite, adapté pour fournir à intervalles réguliers des valeurs de température mesurées le long de la conduite (12) et un module de traitement (23) desdites valeurs de température mesurées adapté à exploiter lesdites valeurs de température mesurées pour détecter la présence d’au moins un bouchon d’hydrate (16) dans la conduite (12), caractérisé en ce que ledit module de traitement (23) est adapté à calculer des valeurs de température du fluide transporté, distribuées le long de la conduite, à partir desdites valeurs de température mesurées et à effectuer un suivi temporel sensiblement en continu de l’évolution de la température du fluide transporté le long de la conduite, ledit module de traitement (23) étant apte à évaluer le sens d’une évolution temporelle globale (30, 40) de la température du fluide transporté sur au moins une portion (29) de la conduite à partir des valeurs de température du fluide transporté distribuées le long de ladite portion et à élaborer un signal d’alerte de présence d’un bouchon d’hydrate (16), lorsqu’une évolution temporelle locale (39, 49) de la température du fluide transporté pour une zone considérée de ladite portion (29) de conduite présente une rupture de pente de sens opposé au sens de l’évolution temporelle globale (30, 40) de la température du fluide transporté pour ladite portion, et/ou lorsque l’évolution temporelle locale (39, 49) de la température du fluide transporté pour une zone considérée de ladite portion de conduite présente une pente de valeur absolue au moins trois fois inférieure à la valeur absolue de la pente de l’évolution temporelle globale (30, 40) de la température du fluide transporté pour ladite portion.
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