Soutenance mémoire
L’orientation de l’industrie pétrolière vers la prospection de nouveaux gisements pétroliers (Offshore, offshore ultra-profond, bruts lourds, gisement très enfouis) s’avère nécessaire pour répondre aux besoins énergétiques croissants de l’économie mondiale. Un gisement pétrolier produit un mélange d’hydrocarbures lourds, moyens et légers sous forme liquide et gazeuse auxquels peuvent s’ajouter des constituants gazeux non hydrocarbures (tels que l’azote,H2S), de l’eau plus au moins salée et éventuellement des solides. Cet effluent est transporté vers des stations de traitements par conduite afin de séparer les différentes phases: eau, gaz et pétrole brut. Le pétrole brut est ensuite transporté par pipeline vers un port d’exportation ou une zone de stockage ou directement à la raffinerie . Le pipeline est une succession de tubes soudés de diamètre pouvant aller de 20 cm à 120 cm et dont la longueur peut atteindre plusieurs milliers de kilomètre. Son débit est fonction de ses caractéristiques techniques, du nombre et de la puissance des stations de pompage situées tout au long de la conduite et de la qualité du brut transporté. Il existe autant de qualités de pétrole brut qu’il y a de gisements dans le monde puisque la qualité du brut dépend de son histoire géologique. Néanmoins, le pétrole est classifié suivant ses composants majoritaires et la mesure de sa viscosité par la gravité API.
SCÉNARII DE LA FORMATION DES DÉPÔTS DE PARAFFINE
Qu’est-ce qu’un brut paraffinique? quelques caractéristiques
La dénomination pétrole brut recouvre une grande variété et diversité d’hydrocarbures contenant une infinité de composés à base de carbone. Parmi ces composés, les paraffines (wax) sont des alcanes peu ramifiés. Parmi ces alcanes, on distingue les normales et les iso paraffines dont les premières se différencient des secondes par le fait que la chaîne carbonée est linéaire. Ce sont ces n-paraffines qui vont plus particulièrement nous intéresser puisque, sous certaines conditions thermodynamiques que l’on va voir, elles vont perdre leur solubilité au sein du brut ce qui va avoir pour conséquence un changement de leur « état » physique au sein du fluide. Lorsque ce changement d’état vient « perturber » ou poser des problèmes au cours de la production ou du transport du pétrole, donc dans les conditions d’exploitation, on dit d’un pétrole contenant ces n-paraffines qu’il est paraffinique. Les problèmes de production évoqués sont la création d’un dépôt de paraffine à la paroi, le changement de comportement du fluide en écoulement ou bien encore la prise en gel lors de la phase d’arrêt.
L’aspect physique de la paraffine
La paraffine reste soluble dans le brut sous certaines conditions d’équilibre. Dès que cet équilibre est perturbé par le changement de certains paramètres tels que la température et la pression, les cristaux de paraffines peuvent apparaître. La solubilité des alcanes décroît sensiblement avec la température. Il existe deux températures caractéristiques des bruts paraffiniques. La température de cristallisation commençante, point de trouble,ΘCC (WAT, Wax Appearance Temperature) est la température à laquelle les premiers cristaux de paraffines apparaissent. La température de gel, point d’écoulement (Pour Point) est la limite pour laquelle le brut passe de l’état fluide à un état gel solide sous certaines conditions. Les valeurs de ces températures sont relativement compliquées à déterminer expérimentalement. En effet leurs déterminations dépendent étroitement de la procédure utilisée. Pour se fixer les idées, ces températures peuvent être de l’ordre de quelques dizaines de degrés Celsius. Les constatations expérimentales montrent que le taux de refroidissement joue beaucoup sur ces valeurs. Elles décroisent avec la vitesse de refroidissement d’aprés Won,1986.
Lorsque le brut contenant des paraffines lourdes est refroidi très lentement et sous certainesconditions, les cristaux formés ressemblent à des aiguilles orthorhombiques ou à des plaques. L’interconnexion entre molécules pour ce type de cristaux est plutôt bonne. Cependant la présence d’impuretés dans le brut et son refroidissement rapide ont pour conséquence une mauvaise cristallisation des paraffines. Ainsi, en réalité les paraffines formées sont un mélange de cristaux hexagonaux et orthorhombiques Maurcio et al.2003. Dans ce cas, le degré d’interconnexion du réseau 3D formé par ces cristaux est réduit.
L’équilibre thermodynamique de phase solide/liquide
La cristallisation des paraffines dans les bruts engendre un équilibre de phase thermodynamique liquide /solide. Des modèles thermodynamiques rendant compte de cet équilibre ont été développés. Ces modèles prédisent la température de cristallisation commençante, ΘCC , ainsi que la quantité de paraffines cristallisées à des températures inférieures, à partir d’un jeu de données expérimentales. Nous pouvons citer à titre d’exemple les modèles thermodynamiques développés par Won,1986, par Hansen,1983, et par Calange,1996. Ces modèles sont représentés par la constante d’équilibre, Ki qui représente le rapport des concentrations d’une composante dans son état liquide et solide.
La principale limitation de ces modèles thermodynamiques est qu’ils ne tiennent pas compte de l’effet dynamique résultant de l’écoulement. La conséquence est qu’ils ne sont pas adaptés à la détermination de l’évolution temporelle de l’épaisseur de dépôt en conduite.
Les mécanismes mis en jeu dans la formation du dépôt
Dans l’ensemble de la littérature (Burger et al.1981; Hsu et al. 1994; Lund,1998;Kok et al.2000; Maurel et al.2000; Hernandez et al.2003; Azevedo et al.2003 etc..) on indique que la bonne modélisation du dépôt de paraffine requiert une bonne compréhension des mécanismes responsables du transport de la paraffine vers la paroi. En effet, l’apparition des cristaux de paraffines dans le brut n’est pas suffisante pour qu’il y ait dépôt. Kok et Saracoglu, 2000 proposent trois conditions nécessaires pour que celui-ci ait lieu :
La température de la paroi de la conduite et d’une partie du brut doit être inférieure à la ΘCC du brut,
Il doit exister un gradient radial négatif de température entre l’intérieur et l’extérieur de la conduite,
Les défauts de surface doivent être assez importants pour que les cristaux puissent se fixer sur la paroi.
Ce dernier point est discutable puisque, en réalité, quelque soit l’état de surface de la conduite, il y a toujours existence d’un dépôt. L’étude de Lund, 1998, montre qu’un bon état de surface ne fait que retarder l’apparition du dépôt. En revanche ce point souligne la difficulté d’expliquer comment et pourquoi ces molécules apolaires « s’accrochent » à la paroi.
D’aprés ces études, le flux de matière déposée augmente avec le gradient de température entre le brut et la paroi de la conduite, tandis qu’il décroît lorsque le débit d’écoulement augmente. Il en ressort essentiellement trois mécanismes probables qui participeraient au déplacement de la paraffine vers la paroi à savoir, la diffusion moléculaire, la diffusion brownienne et la dispersion par cisaillement. Le rôle de la gravité sur la croissance du dépôt est écarté à l’unanimité dans la littérature. En effet des tests en conduites horizontales et verticales effectués dans les mêmes conditions mènent aux mêmes résultats. De plus le test effectué sur la boucle LYRE à l’IFP par Ph. Maurel et al.1999 montre que le dépôt obtenu en conduite horizontale est relativement homogène sur la périphérie.
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Table des matières
INTRODUCTION
CHAPITRE I: INTRODUCTION GÉNÉRALE
CHAPITRE II: SCÉNARII DE LA FORMATION DES DÉPÔTS DE PARAFFINE
II.1 QU’EST-CE QU’UN BRUT PARAFFINIQUE? – QUELQUES CARACTÉRISTIQUES
II.2 L’ASPECT PHYSIQUE DE LA PARAFFINE
II.3 L’ÉQUILIBRE THERMODYNAMIQUE DE PHASE SOLIDE/LIQUIDE
II.4 LES MÉCANISMES MIS EN JEU DANS LA FORMATION DU DÉPÔT
II.4.1 LA DIFFUSION MOLÉCULAIRE
II.4.2 LA DIFFUSION BROWNIENNE
II.4.3 LA DISPERSION PAR CISAILLEMENT
II.4.4 LE TAUX D’INCORPORATION DES CRISTAUX DE CIRE DANS LE DÉPÔT
II.4.5 FACTEURS LIMITANT DE LA CROISSANCE DU DÉPÔT
II.4.6 DISCUSSION SUR LES PRÉDICTIONS DES MODÈLES EXISTANTS
II.5 LE DÉTOUR PAR LE PROBLÈME DE LA GÉLIFICATION DES BRUTS PARAFFINIQUE LORS DE PHASE D’ARRÊT DE L’ÉCOULEMENT : LE COMPORTEMENT NON NEWTONIEN DES BRUTS PARAFFINIQUES
II.5.1 THERMODÉPENDANCE
II.5.2 INFLUENCE DE LA VITESSE DE REFROIDISSEMENT
II.5.3 INFLUENCE DE LA CONTRAINTE DE CISAILLEMENT LORS DU REFROIDISSEMENT
II.5.4 INFLUENCE DU TAUX DE PARAFFINE SOLIDE SUR LE COMPORTEMENT DU BRUT
II.6 NOTRE MODÈLE: UN COUPLAGE DES PHÉNOMÈNES D’ÉCOULEMENT, DE GEL ET DES PHÉNOMÈNES DE DIFFUSION
CHAPITRE III: EXPÉRIENCE DE FORMATION DE DÉPÔT DE PARAFFINE DANS UNE BOUCLE D’ESSAI
III.1 DESCRIPTION GÉNÉRALE DE LA BOUCLE LYRE
III.2 INSTRUMENTATION DE LA BOUCLE LYRE
III.3 CARACTÉRISATION THERMODYNAMIQUE ET RHÉOLOGIQUE DU BRUT DE L’ESSAI
III.3.1 ANALYSE DU BRUT HK PAR LA CALORIMÉTRIE DIFFÉRENTIELLE À BALAYAGE (DSC) DU BRUT
III.3.2 CARACTÉRISATION RHÉOLOGIQUE DU BRUT
III.4 MODE OPÉRATOIRE DES ESSAIS DE FORMATION DES DÉPÔTS DE PARAFFINE DANS LA BOUCLE LYRE
III.5 DÉTERMINATION DE L’ÉVOLUTION TEMPORELLE DE L’ÉPAISSEUR DU DÉPÔT EN UTILISANT LA PERTE DE CHARGE
III.6 RÉSULTATS ET DISCUSSIONS
III.6.1 OBSERVATION ET PESÉE DES DÉPÔTS DE PARAFFINES RÉCUPÉRÉS DANS LA MANCHETTE À PARAFFINE
III.6.2 ÉVOLUTION TEMPORELLE DU DÉPÔT DE PARAFFINE
III.6.3 ANALYSE PAR DSC DES DÉPÔTS DE PARAFFINE RÉCUPÉRÉS
III.6.4 ANALYSE RHÉOLOGIQUE DU DÉPÔT DE PARAFFINE RÉCUPÉRÉ LORS DU TEST « TEST_72H_283K »
III.7 CONCLUSIONS
CHAPITRE IV: MODÈLE THERMOMÉCANIQUE DES DÉPÔTS DE PARAFFINES ET RÉSOLUTION NUMÉRIQUE
IV.1 INTRODUCTION
IV.2 ÉQUATIONS GOUVERNANTES
IV.2.1 CONSERVATION DE LA MASSE
IV.2.2 CONSERVATION DE LA QUANTITÉ DE MOUVEMENT
IV.2.3 CONSERVATION DE L’ÉNERGIE
IV.2.4 ÉQUATION BILAN ET DE TRANSPORT DES NORMALES PARAFFINES DANS LE BRUT
IV.2.5 LOI DE COMPORTEMENT
IV.2.6 SYSTÈME D’ÉQUATIONS DU PROBLÈME
IV.2.7 DOMAINE DE RÉSOLUTION ET LES CONDITIONS AUX LIMITES DU DOMAINE D’ÉCOULEMENT
IV.3 FORMULATION MATHÉMATIQUE
IV.3.1 RÉSOLUTION DU PROBLÈME VITESSE-PRESSION PAR LA MÉTHODE DU LAGRANGIEN AUGMENTÉ
IV.3.2 ÉTABLISSEMENT DE L’ALGORITHME DE RÉSOLUTION DES ÉQUATIONS DE LA DYNAMIQUE (UZAWA)
IV.3.3 RÉSOLUTION DE L’ÉQUATION DE DIFFUSION AVEC UN TERME PUITS PAR LA MÉTHODE DE MARCHUK-YANENKO (MY)
IV.3.4 ALGORITHME GÉNÉRAL DE RÉSOLUTION
IV.4 DISCRÉTISATION DES ÉQUATIONS D’ÉQUILIBRE PAR LA MÉTHODE DES VOLUMES FINIS ET RÉSOLUTION NUMÉRIQUE
IV.5 ÉTUDE DE L’ÉCOULEMENT D’UN FLUIDE VISCOPLASTIQUE DONT LES PARAMÈTRES DÉPENDENT DE LA TEMPÉRATURE ET DES CRISTAUX DE PARAFFINE
IV.6 CONCLUSION
CHAPITRE V: DÉTERMINATION DES PARAMÈTRES THERMODYNAMIQUE ET RHÉOLOGIQUE DU BRUT PARAFFINIQUE
CONCLUSION
