FR2968761A1

FR2968761A1 - Procede pour determiner la viscosite d'une suspension d'hydrates formee au sein d'une emulsion

Info

Publication number: FR2968761A1
Application number: FR1004781A
Authority: FR
Inventors: Myriam Darbouret; Anne Sinquin; Martin Gainville; Patrick Gateau; Thierry Palermo
Original assignee: IFP Energies Nouvelles IFPEN
Current assignee: IFP Energies Nouvelles IFPEN
Priority date: 2010-12-08
Filing date: 2010-12-08
Publication date: 2012-06-15
Anticipated expiration: 2030-12-08
Also published as: FR2968761B1

Abstract

- Procédé pour déterminer la viscosité dynamique d'une suspension d'hydrates formée au sein d'une émulsion eau dans huile en circulation dans une conduite. - On définit une loi d'agglomération des hydrates reliant l'état d'agglomération des hydrates à la contrainte de cisaillement subie par la suspension, au moyen de deux paramètres τ et X. On fait circuler l'émulsion dans une conduite en écoulement monophasique, puis on baisse progressivement la température jusqu'à provoquer une formation d'une suspension d'hydrates stable. On mesure une perte de charge induite par la formation de cette suspension d'hydrates stable, et l'on en déduit la contrainte de cisaillement subie par la suspension et l'état d'agglomération des hydrates. On réitère les deux dernières étapes, pour différentes concentration en eau et différents débits, de façon à obtenir des couples état d'agglomération / contrainte de cisaillement, et on détermine τ0 et X en réalisant une régression sur ces couples. On déterminer la viscosité dynamique en utilisant la loi et les paramètres τ et X ainsi déterminés.

Description

La présente invention concerne le domaine du transport des effluents pétroliers par circulation dans des conduites. En particulier, l'invention permet de déterminer un paramètre caractéristique d'un écoulement, telle que la viscosité dynamique, d'une suspension d'hydrates formée au 5 sein d'un mélange de gouttelettes d'eau dans une huile en circulation dans une conduite.

Les effluents pétroliers composés d'un mélange d'huile, de gaz et d'eau sortent des gisements à haute température (souvent au-delà de 60°C à 80°C). En sortie de puits de production, l'effluent pétrolier est convoyé par circulation dans des conduites, 10 couramment nommées "riser" et "flow-line". La basse température de l'environnement extérieur des conduites, eau de mer ou air, entraîne un refroidissement de l'effluent en circulation. La chute de température peut être suffisante pour entrer dans le domaine de formation des hydrates de gaz (composés solides formés par combinaison de molécules d'eau et de gaz) qui peuvent boucher la conduite. En effet, les hydrates de gaz se 15 forment dans des conditions thermodynamiques de haute pression et de basse température. Lorsque l'effluent pétrolier circule sous forme d'une émulsion d'eau dans l'huile, les gouttelettes d'eau dispersées dans l'huile peuvent cristallisées sous forme d'hydrates de gaz. Les gouttelettes d'eau qui entre en contact avec des particules déjà cristallisées cristallisent à leur tour et contribuent à la formation d'agrégats avec des 20 ponts cristallins reliant les particules. En fonction des conditions d'écoulement, les tailles d'agrégats sont plus ou moins grosses et ils augmentent la viscosité de l'effluent ce qui induit une diminution du débit d'écoulement de l'effluent ou augmenter la perte de charge. Il est donc nécessaire de pouvoir caractériser l'écoulement d'une suspension (slurry) d'hydrates formée au sein d'un effluent pétrolier en circulation dans une conduite. 25 De cette caractérisation, dépendent les conditions de transports, et donc l'efficacité du transport de cet effluent.

On connaît différentes techniques permettant d'évaluer la viscosité d'une suspension d'hydrates formée à partir d'une émulsion eau dans huile. Cette viscosité 30 constitue un paramètre caractéristique de l'écoulement de la suspension. Une approche rhéologique pour caractériser la viscosité d'une suspension d'hydrates formée à partir d'une émulsion eau dans huile contenant des asphaltènes est décrite dans : Ricardo Camargo, Thierry Palermo, "Rheological Properties of Hydrate 35 Suspensions in an Asphaltenic Crude Oil", 4th Int. Conf. Gas Hydrates, 2002. La loi d'agrégation proposée dans ce document se base sur l'équation de Mills (équation 2). Celle-ci exprime la viscosité dynamique effective de la suspension, en fonction de la fraction volumique effective (IEff) de la suspension. Cette dernière (0Eff) est fonction de la taille relative des agrégats (dA/dp) et de leur dimension fractale (f) : fEff _ dp avec dA: taille de l'agrégat (m), dp: taille de la particule d'hydrates (m), f: dimension fractale des agrégats, fixé à 2.5 (-), Dans le document suivant, Emile Colombel, Patrick Gateau, Loic Barré, F. Gruy, Thierry Palermo, "Discussion of Agglomeration Mechanisms between Hydrate Particles in Water in Oil Emulsions", Oil & Gas Science and Technology - Rev. IFP, Vol. 64, N°5, pp. 629-636, 2009, une autre fonction (équation 3) est utilisée pour définir la fraction volumique effective (CEff). Il s'agît d'une loi exponentielle comportant deux paramètres à déterminer (r0, X). Cependant, la caractérisation de ces deux paramètres reste difficile.

Un objet de l'invention concerne un procédé pour déterminer un paramètre caractéristique d'un écoulement d'une suspension d'hydrates formée au sein d'un mélange de gouttelettes d'eau dans une huile en circulation dans une conduite, tel quel sa viscosité dynamique. Le procédé se base sur une loi exponentielle pour décrire le phénomène d'agglomération, ainsi que sur un procédé expérimental pour déterminer les paramètres de cette loi. Un autre objet de l'invention concerne un procédé pour déterminer des pertes de charge induite par la formation d'une telle suspension.

Un autre objet de l'invention concerne un procédé pour dimensionner une conduite pétrolière dans laquelle circule un mélange de gouttelettes d'eau dans une huile. Un autre objet de l'invention concerne un procédé pour déterminer l'efficacité d'antiagglomérants injecté dans un mélange de gouttelettes d'eau dans une huile en circulation dans une conduite.

Enfin, un autre objet de l'invention concerne un procédé de transport d'un mélange de gouttelettes d'eau dans une huile dans une conduite.

De façon générale, l'invention concerne un procédé pour déterminer un paramètre caractéristique d'un écoulement d'une suspension d'hydrates formée au sein d'un mélange d'eau dans une huile en circulation dans une conduite. Le procédé comporte les étapes suivantes : on définit une loi d'agglomération des hydrates reliant un état d'agglomération des hydrates (0Eff) à la contrainte de cisaillement (T) subie par la suspension, au moyen de deux paramètres to et X ; on détermine lesdits paramètres to et X en réalisant les étapes suivantes : i. on fait circuler ledit mélange dans une conduite, puis on baisse progressivement la température dudit mélange jusqu'à provoquer une formation d'une suspension d'hydrates stable ; ii. on mesure une perte de charge induite par la formation de ladite suspension d'hydrates stable, et l'on en déduit une contrainte de cisaillement (t) subie par la suspension et un état d'agglomération des hydrates ((DEff) ; iii. on réitère les étapes i et ii, pour différentes concentrations en eau et pour différents débits, de façon à obtenir des couples état d'agglomération / contrainte de cisaillement, et on détermine TO et X en réalisant une régression sur ces couples. - on détermine ledit paramètre caractéristique de l'écoulement de la suspension d'hydrates en utilisant ladite loi et lesdits paramètres To et X ainsi déterminés.

Selon un mode de réalisation, on détermine lesdits paramètres to et X en réalisant les étapes suivantes : a. on met en circulation une huile dans ladite conduite par des moyens adaptés à limiter ladite contrainte de cisaillement, on sature en gaz l'huile en circulation, et l'on détermine une viscosité de l'huile dans des conditions de formation d'hydrates ; b. on crée une émulsion homogène en injectant une quantité d'eau déterminée dans ladite conduite expérimentale ; c. on baisse progressivement la température de l'émulsion jusqu'à une température cible en maintenant constant la saturation en gaz, le débit et la pression au sein de ladite conduite expérimentale, de façon à provoquer la formation d'une suspension d'hydrates, et l'on mesure en continu la température, la pression, la perte de charge, le débit et la densité du fluide, jusqu'à atteindre une stabilité des valeurs mesurées ; d. on estime ledit paramètre caractéristique de l'écoulement de la suspension à partir de la perte de charge mesurée pour différents plateaux de débits et tout en maintenant constant pression et température ;

e. on réitère les étapes a à d, pour différentes concentrations en eau et différents débits de façon à obtenir des couples état d'agglomération / contrainte de cisaillement, et on détermine i0 et X en réalisant une régression sur ces couples. La loi d'agglomération des hydrates peut être définie de la façon suivante : i \x\ (D Ef = max (D, ro 7 / avec : (DEff fraction volumique effective de la suspension 10 contrainte de cisaillement subie par la suspension to contrainte de cisaillement critique X coefficient lié à la dimension fractale des agrégats (D fraction volumique d'eau et d'hydrates dans le mélange. Le paramètre caractéristique d'un écoulement d'une suspension d'hydrates peut être la 15 viscosité dynamique effective de la suspension, µs,urry, définie par :

1 c EÉT Psiurry _ - Poil / 7.0 Eff \ 2 1 4 i avec cEff : fraction volumique effective de la suspension µo;, : viscosité dynamique de l'huile 20 Selon l'invention, on peut assurer la formation de la suspension d'hydrates stable en vérifiant que l'état d'agglomération de la suspension n'est pas dépendant des changements de conditions d'écoulement. Pour ce faire, on peut réaliser des plateaux de débits croissants et décroissants, et vérifier que la valeur des pertes de charge pour les 25 plateaux de débits décroissants coïncident avec la valeur des pertes de charge obtenues lors des plateaux de débits croissants. On peut également vérifier que l'état d'agglomération n'est pas dépendant au moyen d'une sonde FBRM. Selon un mode de réalisation, on vérifie qu'aucune consommation de gaz ou baisse de pression ne se produit pendant la détermination du paramètre caractéristique de 30 l'écoulement de la suspension d'hydrates.5 De façon préférentielle, on impose un écoulement monophasique laminaire à l'étape ii. De façon préférentielle, la contrainte de cisaillement est la contrainte maximale de cisaillement à la paroi.

Selon un mode de réalisation, la conduite expérimentale est intégrée à une boucle d'écoulement expérimentale comportant un système de contrôle de pression, un système de contrôle de température, et une pompe apte à faire circuler le fluide dans la conduite tout en limitant la contrainte de cisaillement. De façon préférentielle, on calibre la boucle d'écoulement expérimentale préalablement à la détermination des paramètres 'ro et X.

Selon l'invention, on peut déterminer une perte de charge induite par la formation de la suspension, au moyen d'un calcul itératif dans lequel on détermine une contrainte de cisaillement maximum. Selon l'invention, on peut dimensionner une conduite pétrolière dans laquelle circule un mélange de gouttelettes d'eau dans une huile, en réalisant les étapes suivantes : on calcule une perte de charge induite par la formation d'une telle suspension ; on simule les écoulements dudit mélange dans ladite conduite au moyen d'un simulateur polyphasique prenant en compte ladite perte de charge ; on détermine un diamètre optimal de la conduite pour transporter ledit mélange d'un point à un autre à un débit donné, ou on détermine un débit optimal pour transporter ledit mélange d'un point à un autre, dans une conduite de diamètre donné. Selon l'invention, on peut déterminer expérimentalement l'efficacité d'un antiagglomérant injecté dans un mélange de gouttelettes d'eau dans une huile en circulation dans une conduite, en quantifiant un impact sur lesdits paramètres ro et X.

Selon l'invention, on peut quantifier l'impact sur lesdits paramètres ro et X en réalisant les étapes suivantes : i. après avoir calculé les paramètres ro et X avec le mélange initial en utilisant le procédé selon l'invention, on calcule des paramètres rAA et XAA avec une concentration donnée dudit antiagglomérant en utilisant le procédé selon l'invention ; ii. on calcule une efficacité Eff dudit antiagglomérant en utilisant la formule suivante : Eff =1- XAA 1-Xv 1-XAA X ro Enfin, l'invention permet également de transporter un mélange de gouttelettes d'eau 35 dans une huile dans une conduite, en réalisant les étapes suivantes : on sélectionne au moins un antiagglomérant à injecter avec ledit mélange, en déterminant l'efficacité de divers antiagglomérants et en sélectionnant l'antiagglomérant ayant la plus grande efficacité ou l'efficacité optimum. on dimensionne la conduite de façon à limiter les pertes de charges induite par la formation da ladite suspension ; on transporte le mélange et l'antiagglomérant sélectionné dans la conduite ainsi dimensionnée.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris et 10 apparaîtront clairement à la lecture de la description faite ci-après en se référant aux figures parmi lesquelles : - La figure 1 illustre les étapes d'un mode de réalisation du procédé selon l'invention. La figure 2 illustre le régime stratifié. La figure 3 illustre le régime dispersé. 15 La figure 4 illustre le régime intermittent. - La figure 5 montre un exemple de profils de loi d'agglomération avec et sans antiagglomérants.

Le procédé selon l'invention, pour déterminer un paramètre caractéristique de 20 l'écoulement d'une suspension d'hydrates au sein d'un mélange de gouttelettes d'eau dans une huile en circulation dans une conduite, comporte principalement les étapes suivantes : on définit une loi d'agglomération des hydrates reliant un état d'agglomération des hydrates (DEff) à la contrainte de cisaillement (t) subie par la suspension, au moyen 25 de deux paramètres io et X on détermine expérimentalement les paramètres io et X on déterminer le paramètre caractéristique de l'écoulement de la suspension d'hydrates en utilisant la loi et les paramètres To et X ainsi déterminés. 30 Dans la présente description, on désigne par "slurry" la suspension des hydrates dans un fluide mis en circulation.

1. Loi d'agglomération des hydrates Cette étape consiste à définir une loi d'agglomération des hydrates. Selon 35 l'invention cette loi relie l'état d'agglomération des hydrates ((DEff) à la contrainte de cisaillement (i) subie par la suspension, au moyen de deux paramètres io et X.

Selon un mode de réalisation, on utilise la fraction volumique effective du slurry, notée DEff, pour représenter l'état d'agglomération des hydrates. De plus, des essais expérimentaux ont montré que cette fraction volumique effective du slurry, pouvait être reliée à la contrainte de cisaillement (T) de l'écoulement, c'est-à-dire la contrainte de cisaillement subie par la suspension et présente à la fin du processus d'agglomération des hydrates. Ainsi, et selon un mode de réalisation préféré, on utilise la loi d'agglomération suivante : (D Ee, = max (D, (D zo jx.\ Équation 3 avec t: contrainte de cisaillement de l'écoulement (Pa), T0: contrainte de cisaillement critique (Pa), X: coefficient lié à la dimension fractale des agrégats (-), (D: fraction volumique d'eau et d'hydrates dans le liquide (-), Le paramètre (D est un paramètre connu, directement mesurable. Le paramètre t est un paramètre que l'on peut calculer, comme décrit ci-après. Les deux paramètres ro et X sont des paramètres liés aux propriétés intrinsèques de l'huile. Ils sont à déterminer. 2. Détermination des paramètres (tio et X) de la loi d'agglomération La caractérisation des paramètres de la loi d'agglomération est réalisée par régression sur des résultats d'essais expérimentaux. Ces essais comportent les étapes suivantes : a. on fait circuler un mélange (eau-huile) dans une conduite expérimentale, en écoulement monophasique (émulsion eau-huile saturée en gaz dissout), puis on baisse progressivement la température de ce mélange jusqu'à provoquer la formation d'une suspension d'hydrates stable ; b. on mesure la perte de charge induite par la formation de la suspension d'hydrates stable, et l'on en déduit une contrainte de cisaillement (i) subie par la suspension et un état d'agglomération des hydrates (0Eff) ; c. on réitère les étapes a et b, pour différentes concentration en eau et différents débits, de façon à obtenir des couples état d'agglomération / contrainte de cisaillement. On détermine TO et X en réalisant une régression sur ces couples.

Selon un mode de réalisation, ces étapes sont réalisées de la façon suivante : On considère un brut (C) qui présente des propriétés émulsifiantes permettant la formation d'émulsions eau dans huile stables. Les propriétés d'agglomération pour cette huile sont caractérisées par les étapes ci-après. a. On met en circulation une huile dans une conduite expérimentale en utilisant des moyens adaptés à limiter la contrainte de cisaillement au niveau de la pompe de recirculation, on sature en gaz l'huile en circulation, et l'on détermine la viscosité de l'huile dans des conditions de formation d'hydrates.

Pour ce faire, on peut utiliser une boucle d'écoulement, qu'il est préférable de calibrer initialement. La calibration permet de mesurer avec précision la rugosité de la conduite, le diamètre interne de la conduite (D) devant être connu précisément. La boucle doit être instrumentée pour mesurer le débit liquide (Q,), la densité liquide/slurry (pi), la pression absolue (P), la température (T) et une perte de charge (DP). La boucle doit être équipée d'un système de contrôle de la température et d'un système de contrôle du débit liquide. Le système peut être contrôlé en pression via un séparateur ou une réserve de gaz (système ouvert) ou bien être opéré en système fermé. Pour assurer la circulation et le contrôle du débit, la boucle doit être équipée d'une pompe à faible cisaillement afin de ne pas modifier les propriétés du slurry. On peut utiliser une pompe volumétrique, de préférence rotative, de type "moineau" par exemple, plutôt qu'une pompe centrifuge. Une quantité de C est chargée dans la boucle. La viscosité du brut (t011) est déterminée une fois le brut saturé en gaz à une pression et à une température aussi proches que possible des conditions de test de formation des hydrates (P, Tc). II ne doit pas y avoir d'eau présente dans la conduite au risque de fausser la mesure. b. On crée une émulsion homogène en injectant une quantité d'eau déterminée dans la conduite expérimentale. Le ratio est déterminé par rapport à la matrice d'essai de la caractérisation (voir étape de régression décrite ci-après). Une émulsion est crée en maintenant un fort débit durant un temps suffisant pour obtenir un mélange homogène. c. On baisse progressivement la température de l'émulsion jusqu'à une température cible (Tc) en maintenant constant le débit au sein de la conduite expérimentale et la pression si le système est ouvert, de façon à provoquer la formation d'une suspension d'hydrates, et l'on mesure en continue la température, la pression, la perte de charge, le débit et la densité du fluide, jusqu'à une stabilité des valeurs mesurées.

Un test de formation d'hydrates consiste à faire baisser progressivement la température de l'émulsion jusqu'à la température cible (Tc) en maintenant en parallèle la pression P si le système est ouvert et le débit liquide constants. Tout au long du test, y compris durant la caractérisation de la viscosité en fin de test, les valeurs T, P, DP, Q, et p, sont enregistrées. Le test est poursuivi jusqu'à ce que toute l'eau convertible le soit (plus de consommation de gaz en système ouvert ou stabilisation de la pression en système fermé) et jusqu'à ce que toutes les valeurs mesurées atteignent un plateau.

d. On estime la viscosité de la suspension à partir de la perte de charge mesurée pour 10 différents plateaux de débits, succession de plateaux de débits croissants puis décroissants, tout en maintenant constante la température. La caractérisation de la viscosité du slurry est effectuée en maintenant les conditions d'écoulement de fin de tests (P, Tc) et en appliquant différents débits constants. Les valeurs de pertes de charge sont corrélées aux débits afin de déterminer 15 la viscosité (Équation 4 à Équation 7). Durant la caractérisation, les propriétés du slurry ne doivent pas changer et les points suivants doivent être vérifiés: i- les pertes de charge pour les plateaux de débits décroissants doivent coïncider avec celles obtenues lors des plateaux de débits croissants, c'est-à-dire que l'état d'agrégation ne doit pas être impacté par les changements de conditions 20 d'écoulement, ii- aucune consommation de gaz en système ouvert ou de baisse de pression en système fermé ne doit être observée, sinon cela signifie que le processus de cristallisation n'est pas achevé et qu'un nouvel état d'agrégation est en train de se former, 25 iii- le comportement rhéologique doit être Newtonien, dans le cas contraire, cela signifie, s'il n'y a pas de consommation de gaz ou de baisse de pression en système fermé, que d'autres phénomènes physico-chimiques interviennent (notamment effets des paraffines et/ou des asphaltènes).

30 e. On réitère les étapes a à d, pour différentes concentrations en eau et différents débits de façon à obtenir des couples état d'agglomération / contrainte de cisaillement, (on détermine ensuite i0 et X en réalisant une régression sur ces couples).

Pour les étapes b à d, l'écoulement monophasique peut être indifféremment 35 laminaire ou turbulent. Néanmoins, pour l'étape d, il est recommandé d'imposer des plateaux de débits permettant d'obtenir un écoulement laminaire pour bien caractériser la viscosité du slurry. A l'étape b et à l'étape d, il est possible également de vérifier que l'état d'émulsion/d'agrégation est bien stable par une mesure la longueur de corde au moyen 5 d'une sonde FBRM (Focused Beam Reflectance Measurement). L'eau peut contenir une proportion de sels qui ne permet pas une conversion totale en hydrates. Pour les systèmes ouverts, la consommation de gaz permet d'estimer les taux de conversion. Pour les systèmes fermés, la chute de pression permet d'estimer le taux de conversion. 10 Après l'étape e, où l'on réitère les étapes a à d, pour différentes concentrations en eau et différents débits, on obtient des couples état d'agglomération / contrainte de cisaillement. Ces données expérimentales peuvent être rassemblées dans un tableau du type suivant : n° de Test µslurry PSlurry cp Eff TW fraction volumique d'eau, définie par les quantités d'eau et d'huile chargées dans la boucle µs,urry viscosité du slurry, caractérisée expérimentalement par l'étape d à partir de la 20 perte de charge mesurée PSiurry : mesuré pendant le test et notamment pendant l'étape d tEff : fraction volumique effective, calculée à partir de µs,urry en utilisant la loi de Mills TW calculé à partir de la perte de charge mesurée (Équation 4).

25 Remarque: dans le processus expérimental, on estime la viscosité du slurry à partir des mesures de pertes de charge à différents débits pour en déduire l'effet d'agglomération (DEff /(D. Une régression est alors faite sur les points expérimentaux pour déterminer les paramètres ro et X de l'Équation 3. Une méthode de régression possible et efficace est la 30 minimisation de la fonction suivante: .f(roX)=(Def i 15 \2 Avec i Index du point expérimental, z calculé pour le taux d'agglomération expérimental du point i avec la loi d'agglomération: 11 3. Détermination du paramètre caractéristique de l'écoulement du slurry A partir de la loi d'agglomération des hydrates, et des paramètres Tc) et X ainsi caractérisés, on peut déterminer l'état d'agglomération des hydrates, par exemple en calculant la fraction volumique effective du slurry, notée tEff. Il est alors possible de déterminer au moins un paramètre caractéristique de l'écoulement du slurry. Il peut s'agir de propriétés rhéologiques de la suspension d'hydrates en écoulement. Il peut s'agir plus spécifiquement de la viscosité dynamique effective du slurry, notée µs;urry. La présence d'eau et d'huile émulsifiante dans une conduite conduit à la formation d'une émulsion stable. La caractérisation de la viscosité de cette émulsion dépend de la fraction volumique d'eau 1 dans le mélange. On considère la loi de Mills pour calculer la viscosité effective du mélange en fonction de la viscosité de l'huile et de la fraction volumique d'eau (D: r Emulsion = /Oi1 \2 1 \ max

avec

(D Fraction volumique d'eau dans le liquide (-),

'Max Fraction volumique maximum correspondant à un empilement lâche de sphères mono disperses (-).

(DM.-417

µo;, viscosité dynamique de l'huile (Pa.$),

µEmuIsion : viscosité dynamique effective de l'émulsion (Pa.$), Équation 1 En opérant un refroidissement du mélange en écoulement, et en maintenant la pression, les gouttes d'eau commencent à cristalliser et à adhérer les unes aux autres par des ponts capillaires et cristallins et forment des agrégats de plus ou moins grandes tailles. Les agrégats formés impactent la viscosité du mélange. Le processus d'agglomération plus ou moins rapide dépend des conditions d'écoulement et des quantités d'eau et de gaz dissout dans le mélange. Un processus compétitif de rupture par cisaillement limite la taille des agrégats formés et limite ainsi l'accroissement de la viscosité. Le contact de gaz libre avec le slurry au niveau du séparateur pour maintenir la pression, permet de saturer l'huile en gaz et de convertir progressivement l'ensemble des gouttes d'eau en hydrates. Au final, seul des ponts cristallins entre particules d'hydrates subsistent et les essais expérimentaux ont montré que le slurry ainsi formé avait un comportement Newtonien permettant une caractérisation expérimentale de sa viscosité par une succession de mesures effectuées à différents débits. La loi d'agglomération est valable lorsque l'écoulement du slurry est développé, c'est-à-dire une fois que le processus d'agglomération/rupture a atteint un état stabilisé. L'augmentation de la viscosité est interprétée par la prise en compte d'une fraction effective d'eau et d'hydrates plus importante que la fraction volumique réelle. Cet effet peut être corrélé à la structure fractale des agrégats qui augmente l'effet de volume. La viscosité du slurry est également caractérisée en s'appuyant sur la loi de Mills en considérant cette fois-ci la fraction effective DEff : 1-E.f PSlurry - /10i1 . ( Eff -\ 2 1 \ max / avec

fraction volumique effective d'agrégats d'hydrates dans le slurry (-),

Fraction maximum correspondant à un empilement lâche de sphères mono disperses (-), IMax=4/7 viscosité dynamique de l'huile saturée en gaz (Pa.$), viscosité dynamique effective du slurry (Pa.$). Équation 2 (DEff Max µoa µslurry Ainsi, la loi exponentielle permet, une fois les paramètres définis expérimentalement, de prédire la viscosité du slurry en fonction des conditions d'écoulement dans une conduite de production. Les conditions peuvent être monophasique laminaire, monophasique turbulent ou polyphasique. Le cisaillement à prendre en compte pour chacune des conditions est détaillé ci-après. Pour le paramètre T, on peut considérer la contrainte de cisaillement maximum vue par le slurry à la fin du processus d'agglomération (formation d'une suspension d'hydrates stable). Cette contrainte dépend des conditions d'écoulement. Lors des essais expérimentaux de caractérisation, l'écoulement est monophasique (émulsion eau-huile et gaz dissout) laminaire et la contrainte de cisaillement maximum est la contrainte de cisaillement à la paroi rw. Il a été montré expérimentalement que la loi exponentielle est également applicable aux écoulements turbulents en considérant également la contrainte de cisaillement à la paroi J i,/ aux écoulements polyphasiques avec une contrainte de cisaillement dépendant du régime d'écoulement. Les contraintes de cisaillement à considérer pour une utilisation prédictive de la loi exponentielle sont décrites ci-après : Calcul de la contrainte de cisaillement pour différents régimes Calcul de la contrainte de cisaillement en monophasique (sans gaz libre) En monophasique laminaire, la contrainte de cisaillement maximum est la contrainte de cisaillement à la paroi. En turbulent, il a été montré que la taille des agrégats était un ordre de grandeur au dessous de la taille des petites structures tourbillonnaires turbulentes et que l'état d'agrégation était lié à la contrainte de cisaillement à la paroi comme en laminaire. La contrainte de cisaillement à la paroi est liée à la perte de charge mesurée par : Elle peut être également calculée pour un débit donné en utilisant les corrélations de pertes de charge en conduite, et en utilisant une méthode itérative étant donné que la viscosité du slurry est liée à la contrainte de cisaillement par la loi d'agglomération. Le D aP r" 4 as Friction avec tW: contrainte de cisaillement à la paroi (Pa), D : Diamètre de la conduite (m),

: Perte de charge par frottements (Pa), aP as Friction Équation 4 fluide est Newtonien et non rhéofluidifiant, et le cisaillement qui limite la taille des agrégats n'intervient que pendant la phase d'agglomération/rupture durant laquelle la structure des agrégats est consolidée. i (Re). Vslurry z f w = Psi, 2 avec {{' Équation 5 f(Re)=max(faminar,furbulent): coefficient de frottement dépendant du nombre de Reynolds Re, 16 { / la min ar = Re /turbulent = 4 ps,urry: Densité du slurry (kg/m3), Vslurry: vitesse moyenne de l'écoulement lié au débit (m/s). PSlurryVslurry Re=D- /S1urry avec D : Diamètre de la conduite (m), Équation 6 ps,urry: Densité du slurry (kg/m3), Vslurry: vitesse moyenne de l'écoulement lié au débit (m/s), µs,urry: viscosité effective du slurry (Pa.$). 1. = -1.801ogio 6-9 + e Équation 7 avec \Re D : Diamètre de la conduite (m), e : rugosité de la conduite (m). 3.7D

Calcul de la contrainte de cisaillement en polyphasique (gaz/liquide) En polyphasique, la contrainte de cisaillement maximum à considérer pour l'effet de déstructuration n'est pas forcément celle à la paroi et dépend du régime d'écoulement.

L'utilisation d'un modèle hydrodynamique diphasique "point", par exemple le logiciel OLGA (SPT Group, Norvège), dans une boucle itérative de calcul est à ce niveau nécessaire pour définir les conditions d'écoulement. La séquence est la suivante: 1. Calcul des conditions d'écoulement avec le modèle hydrodynamique et une viscosité 10 initiale du "liquide" égale à la viscosité de l'émulsion ; 2. Calcul de la contrainte de cisaillement maximum en fonction du régime d'écoulement obtenu à l'étape précédente (voir ci-après pour la sélection de la contrainte). La valeur peut être retournée directement par le module hydrodynamique. Si ce n'est pas le cas, elle doit être estimée en fonction des sorties du module hydrodynamique ; 15 3. Estimation de l'effet d'agglomération avec la loi exponentielle puis de la viscosité du slurry en utilisant l'équation de Mills ; 4. Retour à l'étape 1, avec mise à jour de la viscosité "liquide" jusqu'à convergence.

Régime à phases séparées - Figure 2 20 En régime d'écoulement stratifié ou annulaire, la contrainte à considérer est le maximum entre la contrainte de cisaillement du liquide à la paroi et la contrainte de cisaillement du liquide à l'interface : r = max(zWL , TGL Équation 8 En annexe, une méthode d'estimation des deux contraintes à partir des sorties du module hydrodynamique est détaillée. 25 Régime dispersé (à bulles) - Figure 3 En régime dispersé, le liquide est présent sur la section complète du diamètre et le gaz sous forme de bulles. La contrainte de cisaillement maximum à considérer est la contrainte de cisaillement du liquide à la paroi, l'impact des bulles de gaz sur la taille des agrégats n'étant pas prépondérant. Équation 9 30 T72 r. = PSiurry / 2 Régime Intermittent - Figure 4 En régime intermittent, la contrainte maximum à considérer est le maximum des contraintes présentes dans la partie stratifiée et dans la partie dispersée calculées comme précédemment. Ce calcul nécessite la connaissance détaillée de la partie stratifiée et de la partie dispersée. Ces informations, bien que calculées en interne par les modules hydrodynamiques, ne sont pas toujours accessibles pour une utilisation externe. r = max(rseparated , rdispersed ) Équation 10 Utilisations 1. détermination des pertes de charge Une fois les paramètres ro et X déterminés, la loi exponentielle permet de calculer la viscosité du slurry après le processus d'agglomération/rupture. On peut également induite par le slurry en écoulements Friction calculer la perte de charge locale aP as monophasiques au moyen des équations 4 à 7 et en écoulements polyphasiques au moyen du module hydrodynamique.

Ce calcul nécessite un calcul itératif pour déterminer la contrainte de cisaillement (t) subie par la suspension, comme décrit précédemment.

2. Caractérisation de l'efficacité des antiaoolomérants Pour quantifier l'efficacité d'un antiagglomérant, on étudie son impact sur les 20 paramètres ro et X de la loi exponentielle. La définition de l'efficacité d'un antiagglomérant s'effectue par une campagne d'essais sur l'huile sans additifs puis une campagne d'essais avec additifs, afin d'obtenir les deux caractéristiques basées sur la loi exponentielle. La comparaison des deux caractéristiques permet de définir l'efficacité de l'antiagglomérant. 25 Ainsi, un autre objet de l'invention est une méthode expérimentale d'estimation de l'efficacité d'un antiagglomérant. L'ajout d'antiagglomérant réduit la taille des agrégats et modifie les valeurs de ro et X caractérisées expérimentalement. L'écart entre les valeurs sans et avec antiagglomérant permet de mesurer l'efficacité du produit. La méthode comporte les étapes suivantes : 30 i. on calcule des paramètres ro et X avec le fluide initial en utilisant le procédé selon l'invention. ii. on calcule des paramètres TAA et XAA avec une concentration donnée d'antiagglomérant en utilisant le procédé selon l'invention. m. on calcule l'efficacité (Efficiency) de l'antiagglomérant en utilisant la loi suivante qui mesure la réduction d'effet d'agglomération par rapport à l'agglomération sans additifs: Efficiency = 1 XAA 1-X zAA 1- XAA X z0 Le développement de la loi est donné ci-après. La loi d'agglomération exponentielle définie expérimentalement est : ~ (D x Eff 0 La figure 5 présente deux courbes représentant l'effet d'agglomération avec antiagglomérants (AA) et sans antiagglomérant (SA). Ces courbes représentent le

(DEff rapport en fonction de T. Les valeurs d'exemple prises sont: zo = 300 Pa, X = 0.35 'Z-AA = 200 Pa, XAA = 0.25 Ces courbes représentent le rapport " en fonction de T.

Pour mesurer l'effet d'agglomération et définir l'efficacité des antiagglomérants, on 15 calcule l'intégrale (hachurée sur la figure 5) des courbes au dessus de la droite =1

(efficacité maximum) avec et sans antiagglomérants, sur les intervalles [0, ro] et [0, zAA]-

Puis on fait la différence, et on normalise par rapport à l'intégrale sans antiagglomérant

qui correspond à l'effet d'agglomération maximum. On fait l'hypothèse que X et XAA

appartiennent à l'intervalle ]0, 1[ ce qui est généralement le cas pour les cas d'agrégation 20 orthocinétique. z, ro o "d z= zo t0 ô (D 1-X z, r0 puisque X- 1 < 0 r A Jr Eff 0dz== rAA 1-XAApuisque XAA - 1 < 0 To (0 TAA / O f E/f - 1 d r- f Eff d'où Efficiency = ° ° -1 dz AA =1- XAA 1-X AA 1-XAA X r0 To y o f E'f -1 dr o Pour les données de l'exemple, l'efficacité des antiagglomérants est de 58.7%, c'est-à-dire que l'agglomération est réduite en moyenne de 58.7% pour une contrainte de cisaillement donnée. Inversement, la perte de charge est réduite en moyenne de 58.7% pour un état d'agglomération donné.

3. Dimensionnement de conduite Le spécialiste intègre la corrélation d'agglomération pour le calcul de la perte de charge dans un outil, tel qu'un simulateur polyphasique, pour réaliser des simulations d'écoulement du transport du fluide dans une conduite. L'intégration suppose la mise en place d'un calcul itératif de la viscosité du slurry et également la résolution de la quantité d'hydrates formée en fonction des conditions thermodynamique et des échanges thermiques entre la conduite et le milieu environnant.

A partir de ces simulations, il peut déterminer, par exemple, le diamètre optimal de la conduite pour transporter le fluide d'un point à un autre, à un débit et des contraintes de pression donnés. Il peut, inversement, déterminer le débit maximum pour transporter le fluide d'un point à un autre, dans une conduite de diamètre donné avec des contraintes de pression imposées. 4. Procédé de transport La détermination de l'efficacité des antiagglomérants, permet de choisir les antiagglomérants les mieux adaptés pour une huile donnée. L'invention a également pour objet un procédé de transport d'un mélange de gouttelettes d'eau dans une huile dans une conduite, dans lequel : - on sélectionne au moins un antiagglomérant à injecter avec ledit mélange, en déterminant l'efficacité de divers antiagglomérants, et en choisissant celui qui a la plus grande efficacité ou l'efficacité optimum (concentration/efficacité/coût) ; - on dimensionne la conduite de façon à limiter les pertes de charges induites par la formation du slurry ; - on transporte le mélange et l'antiagglomérant sélectionné dans la conduite ainsi dimensionnée.

Annexe Régime à phases séparées La contrainte à la paroi peut être calculée en utilisant le coefficient de friction et le diamètre hydraulique de la section liquide dans la conduite. z VSlurry rWSlurry = Psiurryfwsiurry (Re~ 2 fwslur,y (Reslur,y) calculé avec les corrélations du coefficient de friction f(Re) du régime monophasique, PslurryVSlurry Rei =D surryslurry Le nombre de Reynolds (Re) dépend du diamètre hydraulique (Dslurry ) : f~slurry Dslurry sin(SZsr, )v Slurry D ,Dslurry , est l'angll7e~ mouillé qui dépend de la fraction de slurry dans la section S L1urry = Sin ~ Slurry + 27rRSlurry La contrainte de cisaillement à l'interface est calculée par le coefficient de friction à

l'interface par: z f (VGas - VSlurry )rGSlurry = PGas.fGSlur,y 2 / G1urry = lnln(/ smooth' / wavy ). / IG fsmooth = 1+ max1O, 20. Rslurry 7 5 oDSlurry fwavy = 1 + DVGF - VSlurry V -VCrit / Verrt \Ig (Pslurry PGas + Pslurry as Slurry PGas ' Pslurry j VGF = V as /1 + 2000 D Uref ReG+l) 20 D g . (PSlurry PGas) - D tire = ReG = DG PGas VGas PGas 27r - S2Srurry + sin(S2srurry DG =D- (1-) - S2 + 2 sin Slurry 27L Slurry fIG(ReIG) est calculé de la même façon que f(Re) du régime monophasique. PGas (VGas - VSlurry ) Re,G = DJG PGas PSlurry \ 2 i DIG = D - sin /Slurry 2 i

Claims

REVENDICATIONS1. Procédé pour déterminer un paramètre caractéristique d'un écoulement d'une suspension d'hydrates formée au sein d'un mélange d'eau dans une huile en circulation dans une conduite, caractérisé en ce que : on définit une loi d'agglomération des hydrates reliant un état d'agglomération des hydrates (CDEff) à la contrainte de cisaillement (t) subie par la suspension, au moyen de deux paramètres to et X ; on détermine lesdits paramètres To et X en réalisant les étapes suivantes : i. on fait circuler ledit mélange dans une conduite, puis on baisse progressivement la température dudit mélange jusqu'à provoquer une formation d'une suspension d'hydrates stable ; ii. on mesure une perte de charge induite par la formation de ladite suspension d'hydrates stable, et l'on en déduit une contrainte de cisaillement (t) subie par la suspension et un état d'agglomération des hydrates (cDEff) ; iii. on réitère les étapes i et ii, pour différentes concentrations en eau et pour différents débits, de façon à obtenir des couples état d'agglomération / contrainte de cisaillement, et on détermine i0 et X en réalisant une régression sur ces couples. on détermine ledit paramètre caractéristique de l'écoulement de la suspension d'hydrates en utilisant ladite loi et lesdits paramètres to et X ainsi déterminés.
2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel on détermine lesdits paramètres To et X en réalisant les étapes suivantes : a. on met en circulation une huile dans ladite conduite par des moyens adaptés à limiter ladite contrainte de cisaillement, on sature en gaz l'huile en circulation, et l'on détermine une viscosité de l'huile dans des conditions de formation d'hydrates ; b. on crée une émulsion homogène en injectant une quantité d'eau déterminée dans ladite conduite expérimentale ; c. on baisse progressivement la température de l'émulsion jusqu'à une température cible en maintenant constant la saturation en gaz, le débit et la pression au sein de ladite conduite expérimentale, de façon à provoquer la formation d'une suspension d'hydrates, et l'on mesure en continu la température, la pression, la perte de charge, le débit et la densité du fluide, jusqu'à atteindre une stabilité des valeurs mesurées ; d. on estime ledit paramètre caractéristique de l'écoulement de la suspension à partir de la perte de charge mesurée pour différents plateaux de débits et tout en maintenant constant pression et température ; e. on réitère les étapes a à d, pour différentes concentrations en eau et différents débits de façon à obtenir des couples état d'agglomération / contrainte de cisaillement, et on détermine tO et X en réalisant une régression sur ces couples.
3. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la loi d'agglomération des hydrates est définie de la façon suivante : i jx z Eff = max 0, ro (r( PSlurry = /10i1 avec : 1 Eff fraction volumique effective de la suspension T contrainte de cisaillement subie par la suspension To contrainte de cisaillement critique X coefficient lié à la dimension fractale des agrégats fraction volumique d'eau et d'hydrates dans le mélange.
4. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel ledit paramètre caractéristique d'un écoulement d'une suspension d'hydrates est une viscosité dynamique effective de la suspension, µs,urry, définie par : 1-tgf (1_7.wEff. 4 avec IEff : fraction volumique effective de la suspension µo;, : viscosité dynamique de l'huile
5. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel on assure la formation de la suspension d'hydrates stable en vérifiant que l'état d'agglomération de ladite suspension n'est pas dépendant des changements de conditions d'écoulement.
6. Procédé selon la revendication 5, dans lequel on vérifie que l'état d'agglomération n'est pas dépendant en réalisant des plateaux de débits croissants et décroissants, et en vérifiant que la valeur des pertes de charge pour les plateaux de débits décroissants coïncident avec la valeur des pertes de charge obtenues lors des plateaux de débits croissants.
7. Procédé selon la revendication 5, dans lequel on vérifie que l'état d'agglomération n'est pas dépendant au moyen d'une sonde FBRM.
8. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel on vérifie qu'aucune consommation de gaz ou baisse de pression ne se produit pendant la détermination dudit paramètre caractéristique de l'écoulement de la suspension d'hydrates.
9. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel on impose un écoulement monophasique laminaire à l'étape ii.
10. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la contrainte de cisaillement est la contrainte maximale de cisaillement à la paroi.
11. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel ladite conduite expérimentale est intégrée à une boucle d'écoulement expérimentale comportant un système de contrôle de pression, un système de contrôle de température, et une pompe apte à faire circuler ledit fluide dans ladite conduite tout en limitant ladite contrainte de cisaillement.
12. Procédé selon la revendication 11, dans lequel on calibre ladite boucle d'écoulement expérimentale préalablement à la détermination desdits paramètres 'co et X.
13. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel on détermine une perte de charge induite par la formation de ladite suspension, au moyen d'un calcul itératif dans lequel on détermine une contrainte de cisaillement maximum.
14. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel on dimensionne une conduite pétrolière dans laquelle circule un mélange de gouttelettes d'eau dans une huile, en réalisant les étapes suivantes : on calcule une perte de charge induite par la formation d'une telle suspension ; on simule les écoulements dudit mélange dans ladite conduite au moyen d'un simulateur polyphasique prenant en compte ladite perte de charge ; - on détermine un diamètre optimal de la conduite pour transporter ledit mélange d'un point à un autre à un débit donné, ou on détermine un débit optimal pour transporter ledit mélange d'un point à un autre, dans une conduite de diamètre donné.
15. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel on détermine expérimentalement l'efficacité d'un antiagglomérant injecté dans un mélange de gouttelettes d'eau dans une huile en circulation dans une conduite, en quantifiant un impact sur lesdits paramètres ro et X.
16. Procédé selon la revendication 15, dans lequel on quantifie l'impact sur lesdits 30 paramètres ro et X en réalisant les étapes suivantes : i. après avoir calculé les paramètres ro et X avec le mélange initial en utilisant le procédé selon la revendication 1, on calcule des paramètres rAA et XAA avec une concentration donnée dudit antiagglomérant en utilisant le procédé selon la revendication 1 ; 35 ii. on calcule une efficacité Eff dudit antiagglomérant en utilisant la formule suivante : X,,A 1-X z~, Eff =1-1-XAA X ro
17. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel on transporte un mélange de gouttelettes d'eau dans une huile dans une conduite, en réalisant les étapes suivantes : on sélectionne au moins un antiagglomérant à injecter avec ledit mélange, en déterminant l'efficacité de divers antiagglomérants et en sélectionnant l'antiagglomérant ayant la plus grande efficacité ou l'efficacité optimum. - on dimensionne la conduite de façon à limiter les pertes de charges induite par la formation da ladite suspension ; on transporte le mélange et l'antiagglomérant sélectionné dans la conduite ainsi dimensionnée.