WO2004085913A1 - Methode d'optimisation du transport par pipeline de bruts lourds - Google Patents

Methode d'optimisation du transport par pipeline de bruts lourds Download PDF

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WO2004085913A1
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Isabelle Henaut
Loïc BARRE
Patrick Gateau
Jean-François Argillier
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    • F17D1/00—Pipe-line systems
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    • F17D1/16—Facilitating the conveyance of liquids or effecting the conveyance of viscous products by modification of their viscosity
    • F17D1/17—Facilitating the conveyance of liquids or effecting the conveyance of viscous products by modification of their viscosity by mixing with another liquid, i.e. diluting
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    • Y10T137/0391—Affecting flow by the addition of material or energy

Definitions

  • the invention relates to the field of heavy crude oil exploitation having in particular the disadvantage of having too high a viscosity.
  • the object of the method according to the invention is to reduce the pressure drop during the transport of heavy crudes by pipeline by acting on its viscosity.
  • Heavy oils are defined as crude oils whose API density is less than 20. These oils, whose world reserves are of the same order of magnitude as all conventional oils, are characterized by a high content of asphaltenes and by high viscosity, up to a million centipoise at tank temperature. As a result, their transportation by pipeline is much more difficult than that of conventional crude oils. 'Pipeline transportation of crude • heavy suppose that the viscosity is sufficiently low in view of the size of the transmission lines and the power of pumping, selected according to economic optimum.
  • Heating is an effective way to significantly reduce the viscosity of heavy oils.
  • the emulsification of crude oil in water is also a means employed.
  • the crude is transported in the form of fine droplets in a continuous phase mainly consisting of water.
  • surfactant additives In order to guarantee the stability of the emulsion throughout the pipeline, it is necessary to add judiciously chosen surfactant additives to the water. These surfactants must also allow in a simple manner, both the inversion of the emulsion on arrival at the refinery and the recovery of anhydrous crude and the treatment of polluted water.
  • the solvents used are hydrocarbon fractions, such as condensates or naphtha. This method is based on the fact that the viscosity of heavy crudes is greatly reduced by the addition of a low-viscosity solvent. It is generally accepted that to obtain a reduction in viscosity sufficient to allow the transport of a heavy oil by pipeline, the quantity of light solvent to be added is between 10 and 50% by volume. When this process is used, it most often includes a second pipeline which allows the recycling of the solvent after separation by distillation at the refinery. This process can be considered the most efficient for transporting heavy crudes.
  • One of the possible improvements to the dilution of heavy crudes consists in improving the process so as to obtain the viscosity required for transport by pipeline by using a smaller volume of solvent.
  • the present invention relates to a method of optimizing the transport of heavy crudes, in which the addition of at least one solvent consisting of crude oil is carried out.
  • the additive can have a boiling point below 150 ° C.
  • the additive can have a polar component ⁇ p of the Hildebrand parameter
  • the additive can have a contribution of the hydrogen bonds ⁇ of the parameter of
  • the additive can be chosen from: ethers, ketones, aldehydes, esters, nitriles, or mixtures thereof.
  • the additive may include 2-butanone.
  • the amount of additive can be between 1 and 50% by volume relative to the solvent.
  • the amount of additive can be between 10 and 20% by volume relative to the solvent.
  • the method may include a step of recovering said additive, or its mixtures, by distillation.
  • the solvent is recovered by distillation. Recovery can be done with that of the additive.
  • the object of the present invention is to improve the process for diluting a heavy crude. It has been demonstrated that a modification of the solubility parameters of the solvent used, in particular the increase in the polarity of the solvent, leads to a significant improvement in the dilution efficiency of the solvent considered. In addition, the contribution of links
  • ⁇ hydrogen must be controlled, in particular because of possible miscibility difficulties.
  • Hansen parameters (Hansen, CM., The universality of the solubility parameter, Ind. Eng. Chem. Prod. Res. Dev., 8, 2, 1969.) are an extension of the Hildebrand parameter (Hildebrand, JH, and Scott, RL, Solubility of Non-Electrolytes, 3 rd ed.
  • the petroleum hydrocarbons commonly used to dilute heavy crudes have Hansen parameters with a low polar component, typically less than
  • the present invention proposes to increase the parameter ⁇ p of the solvent for
  • high polarity additives can be chosen from ethers, ketones, aldehydes, esters, nitriles, or mixtures of several of these products, provided that these products or mixtures of products are sufficiently miscible with the solvent. In addition, it has been verified
  • the parameter ⁇ h of the additive must be less than 7 (MPa) 1/2 s, and preferably less than
  • the method for optimizing the transport of heavy crude oil also comprises a process for recovering the additive, or mixtures, by distillation.
  • the boiling point of the additive must be lower than the final distillation point of the cut. It may even be preferred that the additive can be partially recovered in the lower part of the cutting temperature range or even better at a temperature below the initial boiling point of the solvent.
  • the additive should have a boiling point (BP) below 180 ° C (final boiling point) and preferably below 150 ° C (initial boiling point).
  • the method can also be applied to the transport of extra heavy oils, bitumens and heavy residues resulting from distillation operations of a refining unit.
  • a solvent composed of 90% by volume of the naphtha used in the example is prepared.
  • Hildebrand is equal to 5.3 (MPa) 1/2 and whose component ⁇ h of the ' Hildebrand parameter
  • a solvent composed of 90% by volume of the naphtha used in the example is prepared.
  • Hildebrand are respectively equal to 5.3 (MPa) and 7 (MPa), and whose boiling point (BP) is 75 ° C.
  • the polar component of this solvent is equal to 0.9 (MPa) 1 2 .
  • the heavy crude oil from Example 1 is diluted using 15% by mass of this solvent. The viscosity measured at 20 ° C is then 1.59 Pa.s. In this case, an improvement in the efficiency of the dilution of 15% is observed.
  • a solvent composed of 90% by volume of the naphtha used in the example is prepared.
  • Hildebrand are respectively equal to 5.7 (MPa) 1 2 and 15.8 (MPa) 1/2 , and whose boiling temperature (BP) is 118 ° C.
  • the polar component of this solvent is equal to 0.9 (MPa).
  • the heavy crude oil from Example 1 is diluted using 15% by mass of this solvent. The viscosity measured at 20 ° C is then 1.63 Pa.s. In this case, an improvement in the efficiency of the dilution of 12% is observed.
  • a solvent composed of 90% by volume of the naphtha used in the example is prepared.
  • boiling point (BP) is 118 ° C, which allows to obtain a solvent whose dont p is
  • Example 7 The viscosity of the crude oil used in Example 1 diluted with 15% by mass of this solvent and measured at 20 ° C is equal to 1.48 Pa.s, which corresponds to an improvement in the dilution of 20%.
  • Example 7 The viscosity of the crude oil used in Example 1 diluted with 15% by mass of this solvent and measured at 20 ° C is equal to 1.48 Pa.s, which corresponds to an improvement in the dilution of 20%.
  • Example 2 is repeated, this time adding 50% by volume of ethyl acetate to the
  • Example 5 is repeated, this time adding 50% by volume of 2-butanone to the
  • the additive, or mixture of additives must have a polar component ⁇ p greater than 5, of
  • Heavy crude oil can be diluted at the bottom of a production well, downstream from the surface wellhead, or in an intermediate transmission line.

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Abstract

Méthode d'optimisation du transport de bruts lourds, dans laquelle on effectue l'adjonction audit brut d'au moins un solvant constitué par une coupe pétrolière. Selon la méthode, on augmente la composante polaire δp du paramètre de Hildebrand du solvant, et on contrôle la contribution des liaisons hydrogène δh du paramètre de Hildebrand du solvant, par l'ajout d'une quantité déterminée d'au moins un additif spécifique.

Description

METHODE D'OPTIMISATION DU TRANSPORT PAR PIPELINE DE BRUTS LOURDS
L'invention concerne le domaine d'exploitation des bruts lourds présentant notamment l'inconvénient d'avoir une trop forte viscosité. La méthode selon l'invention a pour objet de réduire la perte de charge lors du transport des bruts lourds par pipeline en agissant sur sa viscosité.
Les huiles lourdes sont définies comme étant les pétroles bruts dont la densité API est inférieure à 20. Ces huiles, dont les réserves mondiales sont du même ordre de grandeur que l'ensemble des huiles conventionnelles, sont caractérisées par une forte teneur en asphaltènes et par une viscosité élevée, pouvant atteindre jusqu'au million de centipoises à la température du réservoir. De ce fait, leur transport par pipeline est beaucoup plus difficile que celui des pétroles bruts conventionnels.' Le transport par pipeline des bruts • lourds suppose que la viscosité soit suffisamment faible compte tenu de la dimension des lignes de transport et de la puissance des installations de pompage, choisies selon l'optimum économique.
Il existe différentes méthodes connues de l'homme de l'art qui permettent de transporter des huiles lourdes par pipeline. Ce sont par exemple le chauffage, la dilution, la mise en emulsion aqueuse, la lubrification pariétale bu "Core Annular Flow", ou encore le raffinage partiel du brut sur le site de production avant transport. Le chauffage est un moyen efficace de réduire notablement la viscosité des huiles lourdes. Mais, en fonction des caractéristiques du brut à transporter, il peut être nécessaire de porter le fluide à des températures relativement élevées, parfois supérieures à 100°C, pour obtenir une viscosité compatible avec les installations industrielles. En outre, il est important de maintenir la température du fluide à ce niveau tout au long de la conduite, ce qui suppose l'isolation thermique des conduites, et parfois l'installation d'unités de chauffage conjointement aux installations de pompage.
La mise en emulsion du brut dans de l'eau est aussi un moyen employé. Dans cette technique, le brut est transporté sous forme de fines gouttelettes dans une phase continue principalement constituée d'eau. Afin de garantir la stabilité de l'émulsion tout au long du pipeline, il est nécessaire d'ajouter à l'eau des additifs tensioactifs judicieusement choisis. Ces tensioactifs doivent en outre permettre de manière simple, à la fois l'inversion de l'émulsion à l'arrivée à la raffinerie et la récupération du brut anhydre et le traitement de l'eau polluée.
Le "Core Annular Flow" consiste à transporter le brut entouré d'un film d'eau. C'est la méthode la plus efficace pour réduire les pertes de charges, celles-ci étant presque comparables à celles obtenues avec de l'eau. Cette technique est décrite par exemple dans le brevet US -4753261. Malheureusement, cette technique présente des difficultés liées à la stabilité de l'écoulement, à la salissure au cours du temps des parois du pipeline et surtout à la difficulté de redémarrage en cas d'arrêt non programmé de la production. C'est ainsi qu'à ce jour, ce mode de transport n'a été que peu employé. Une autre méthode pouvant être, envisagée pour amener la viscosité du brut à une valeur compatible avec son transport par pipeline, est le raffinage partiel sur le site de production. Un exemple en est donné dans le brevet US-5110447. Cette méthode suppose des investissements importants ainsi que des coûts opératoires élevés dus à la multiplication du nombre d'unités de viscoréduction sur site.
Afin de diminuer la viscosité des huiles lourdes, il est courant de les diluer par des solvants. Les solvants utilisés sont des coupes hydrocarbonées, comme les condensats ou le naphta. Cette méthode est basée sur le fait que la viscosité des bruts lourds est fortement réduite par l'ajout d'un solvant peu visqueux. E est généralement admis que pour obtenir une réduction de viscosité suffisante pour permettre le transport d'une huile lourde par pipeline, la quantité de solvant léger à ajouter se situe entre 10 et 50% en volume. Lorsque ce procédé est utilisé, il comporte le plus souvent un second pipeline qui permet le recyclage du solvant après séparation par distillation à la raffinerie. Ce procédé peut être considéré comme le plus efficace pour le transport des bruts lourds. Malgré des investissements importants, il permet le transport de l'huile sans risque particulier, même en cas d'arrêt prolongé de production. En outre, le fait de diluer le brut facilite certaines opérations comme la séparation de l'eau de production. Cependant, le volume à transporter est majoré, et le coût du solvant n'est pas négligeable, ainsi que sa séparation éventuelle du brut afin de le recycler.
Une des améliorations possibles à la dilution des bruts lourds consiste à améliorer le procédé de façon à obtenir la viscosité requise pour le transport par pipeline en utilisant un volume moindre de solvant. Ainsi, la présente invention concerne une méthode d'optimisation du transport de bruts lourds, dans laquelle on effectue l'adjonction au brut d'au moins un solvant constitué
par une coupe pétrolière. Selon l'invention, on augmente la composante polaire δp du
paramètre de Hildebrand du solvant et on contrôle la contribution des liaisons hydrogène δh
du paramètre de Hildebrand dudit solvant, par l'ajout d'une quantité déterminée d'au moins un additif spécifique.
L'additif peut avoir une température d'ébullition inférieure à 150°C.
L'additif peut avoir une composante polaire δp du paramètre de Hildebrand
supérieure à 5 (MPa)1/2, et de préférence supérieure à 8 (MPa)1/2.
L'additif peut avoir une contribution des liaisons hydrogène δ du paramètre de
Hildebrand inférieure à 6,5 (MPa)1 2.
L'additif peut être choisi parmi : les éthers, les cétones, les aldéhydes, les esters, les nitriles, ou leurs mélanges.
L'additif peut comprendre de la 2-butanone.
La quantité d'additif peut être comprise entre 1 et 50% en volume par rapport au solvant.
La quantité d'additif peut être comprise entre 10 et 20% en volume par rapport au solvant.
La méthode peut comprendre une étape de récupération dudit additif, ou de ses mélanges, par distillation. Selon la méthode, le solvant est récupéré par distillation. La récupération peut se faire avec celle de l'additif.
L'objet de la présente invention est d'améliorer le procédé de dilution d'un brut lourd. H a été mis en évidence qu'une modification des paramètres de solubilité du solvant utilisé, en particulier l'augmentation de la polarité du solvant, conduit à une amélioration notable de l'efficacité de dilution du solvant considéré. De plus, la contribution des liaisons
hydrogène δ doit être contrôlée, notamment à cause de possible difficultés de miscibilité.
Les paramètres de Hansen (Hansen, CM. , The universality of the solubility parameter, Ind. Eng. Chem. Prod. Res. Dev., 8, 2, 1969.) sont une extension du paramètre de Hildebrand (Hildebrand, J.H., and Scott, R.L., Solubility of Non-Electrolytes, 3rd éd.
Reinhold, New York, 1950; Dover, New York, 1964.). us sont reliés à ce dernier par la relation :.
Figure imgf000006_0001
dans laquelle δt correspond au paramètre de Hildebrand, δd correspond aux forces
de dispersions, δp à la composante polaire et δh à la contribution des liaisons hydrogène.
Dans le cas d'un mélange S de n solvants SQ (i = l,n) dans des proportions
volumiques VQ (i = l,n), avec ^V(i) = 1 , les paramètres de, Hansen de ce mélange de i=I solvants S sont :
Figure imgf000007_0001
Les hydrocarbures pétroliers utilisés couramment pour diluer les bruts lourds ont des paramètres de Hansen dont la composante polaire est faible, typiquement inférieure à
0,8 (MPa)1/2. Par exemple, pour le carburant ASTM 'B' : δp est égal à 0,4 (MPa)1/2, δh est
110 égal à 0,6 (MPa) (Allan F.M. Barton, Handbook of Solubility Parameters and Other Cohésion Parameters, CRC Press, 1991.
La présente invention propose d'augmenter le paramètre δp du solvant pour
améliorer son efficacité. Pour ce faire, un ou un mélange de plusieurs additifs ayant un
paramètre δp supérieur à 5 (MPa)1/2 sont incorporés au solvant hydrocarbure dans une
proportion volumique comprise entre 1 et 50%, de préférence entre 5 et 50%. Ces additifs de forte polarité peuvent être choisis parmi les éthers, les cétones, les aldéhydes, les esters, les nitriles, ou les mélanges de plusieurs de ces produits, sous réserve que ces produits ou mélanges de produits soient suffisamment miscibles avec le solvant. De plus, il a été vérifié
que le paramètre δh de l'additif doit être inférieur à 7 (MPa)1/2 s, et de préférence inférieur à
6,5 (MPa) pour une meilleure efficacité.
Selon la présente invention, la méthode d'optimisation du transport de brut lourd comprend également un procédé de récupération de l'additif, ou des mélanges, par distillation. Pour l'efficacité du procédé, la température d'ébullition de l'additif doit être inférieure au point de distillation final de la coupe. Il peut être même préféré que l'additif puisse être récupéré partiellement dans la partie inférieure de la gamme de température de la coupe ou même mieux à une température inférieure au point d'ébullition initiale du solvant. Par exemple, en utilisant le naphta -Varsdl 3135 fabriqué par ExxonMobil, l'additif devra avoir une température d'ébullition (BP) inférieure à 180°C (point d'ébullition final) et de préférence inférieure à 150°C (point d'ébullition initial).
La méthode peut aussi être appliquée au transport des huiles extra lourdes, des bitumes et des résidus lourds résultant d'opérations de distillation d'une unité de raffinage.
Les exemples suivants illustrent l'invention sans toutefois la limiter à ces modes de réalisation.
Exemple 1
Un pétrole brut lourd vénézuélien de densité 8,5 degrés API, contenant 17% d'asphaltènes (ASTM D6560), a une viscosité de 380 Pa.s, à 20°C.
Ce brut est dilué avec 15% en masse d'un naphta dont la composition est donnée dans le tableau 1.
Tableau 1 : Composition chimique du naphta
Figure imgf000008_0001
La viscosité du pétrole brut, mesurée à 20°C, est alors de 1,86 Pa.s. Exemple 2
On prépare un solvant composé de 90% en volume du naphta utilisé dans l'exemple
1 et de 10% en volume d'acétate d'éthyle dont la composante δp du paramètre de
Hildebrand est égale à 5,3 (MPa)1/2 et dont la composante δh du' paramètre de Hildebrand
est égale à 7,2 (MPa)1/2 , sa température d'ébullition (BP) étant de 77°C. La composante polaire de ce solvant est égale à 0,9 (MPa)1/2. Le brut lourd de l'exemple 1 est dilué en utilisant 15% en masse de ce solvant. La viscosité mesurée à 20°C est alors de 1,56 Pa.s. On observe dans ce cas une amélioration de l'efficacité de la dilution de 17%.
Exemple 3
On prépare un solvant composé de 90% en volume du naphta utilisé dans l'exemple
1 et de 10% en volume de butyraldehyde dont les composantes δp et δh du paramètre de
1 /9 1 /9
Hildebrand sont respectivement égaux à 5,3 (MPa) et 7 (MPa) , et dont la température d'ébullition (BP) est de 75°C. La composante polaire de ce solvant est égale à 0,9 (MPa)1 2. Le brut lourd de l'exemple 1 est dilué en utilisant 15% en masse de ce solvant. La viscosité mesurée à 20°C est alors de 1,59 Pa.s. On observe dans ce cas une amélioration de l'efficacité de la dilution de 15%.
Exemple 4
On prépare un solvant composé de 90% en volume du naphta utilisé dans l'exemple
1 et de 10% en volume de 1-butanol dont les composantes δp et δh du paramètre de
Hildebrand sont respectivement égaux à 5,7 (MPa)1 2 et 15,8 (MPa)1/2, et dont la température d'ébullition (BP) est de 118°C. La composante polaire de ce solvant est égale à 0,9 (MPa) . Le brut lourd de l'exemple 1 est dilué en utilisant 15% en masse de ce solvant. La viscosité mesurée à 20°C est alors de 1,63 Pa.s. On observe dans ce cas une amélioration de l'efficacité de la dilution de 12%.
Exemple 5
On prépare un solvant composé de 90% en volume du naphta utilisé dans l'exemple
1 et de 10% en volume de 2-butanone dont la composante δp du paramètre de Hildebrand
est égale à 9,0 (MPa)1/2 et dont la composante δh du paramètre de Hildebrand est égale à
5,1 (MPa)1/2, et dont la température d'ébullition (BP) est de 80°C. La composante polaire
1 /9 de ce solvant est égale à 1,26 (MPa) . Le brut lourd de l'exemple 1 est dilué en utilisant 15% en masse de ce solvant. La viscosité mesurée à 20°C est alors de 1,48 Pa.s. On observe dans ce cas une amélioration de l'efficacité de la dilution de 20%.
Exemple 6
On ajoute au naphta utilisé dans l'exemple 1 10% en volume de butyronitrile dont la
composante polaire δp du paramètre de Hildebrand est égale à 12,5 (MPa)1 2, dont la
composante polaire δh du paramètre de Hildebrand est égale à 5,1 (MPa)1/2, et la
température d'ébullition (BP) est de 118°C, ce qui permet d'obtenir un solvant dont le δp est
égal à 1,61 (MPa)1/2. La viscosité du brut utilisé dans l'exemple 1 dilué avec 15% en masse de ce solvant et mesurée à 20°C est égale à 1,48 Pa.s, ce qui correspond à une amélioration de la dilution de 20%. Exemple 7
L'exemple 2 est répété en ajoutant cette fois 50% en volume d'acétate d'éthyle au
naphta, ce qui permet d'obtenir un solvant dont le δp est égal à 2,85 (MPa)1/2. La viscosité
mesurée à 20°C du brut de l'exemple 1 dilué avec 15% en masse de ce solvant est égale à 1,14 Pa.s. Dans ce cas, l'efficacité de la dilution est améliorée de 39%.
Exemple 8
L'exemple 5 est répété en ajoutant cette fois 50% en volume de 2-butanone au
naphta, ce qui permet d'obtenir un solvant dont le δp est égal à 4,7 (MPa)1 2. La viscosité
mesurée à 20°C du brut de l'exemple 1 dilué avec 15% en masse de ce solvant est égale à 0,873 Pa.s. Dans ce cas, l'efficacité de la dilution est améliorée de 53%.
Ainsi, il est clair qu'en modifiant un solvant de base en lui ajoutant un additif permettant d'augmenter le paramètre polaire de Hildebrand, on optimise la fonction solvant, à quantité de solvant identique. Il est aussi clair que, pour des additifs ayant des
composantes polaires δp similaires, plus la contribution des liaisons hydrogène δ est
basse, meilleure est l'efficacité de la dilution. A la lecture des résultats présentés ici,
l'additif, ou le mélange d'additifs, doit avoir une composante polaire δp supérieure à 5, de
préférence supérieure à 8, et une contribution des liaisons hydrogène δh inférieure à 7 et de préférence inférieure à 6,5.
La dilution du brut lourd peut se faire en fond de puits de production, en aval de la tête de puits en surface, ou dans une ligne de transport intermédiaire.

Claims

REVENDICATIONS
1. Méthode d'optimisation du transport de bruts lourds, dans laquelle on effectue - l'adjonction audit brut d'au moins un solvant constitué par une coupe pétrolière, caractérisée en ce que l'on augmente la composante polaire δp du paramètre de Hildebrand dudit solvant et en ce que l'on contrôle la contribution des liaisons
hydrogène δh du paramètre de Hildebrand dudit solvant, par l'ajout d'une quantité déterminée d'au moins un additif spécifique.
2. Méthode selon la revendication 1, dans laquelle ledit additif a une température d'ébullition inférieure à 150°C.
3. Méthode selon l'une des revendications 1 ou 2, dans laquelle ledit additif a une
composante polaire δp du paramètre de Hildebrand supérieure -à 5 (MPa)1/2, et de préférence supérieure à 8 (MPa) 110.
4. Méthode selon l'une des revendications 1 à 3, dans laquelle ledit additif a une
contribution des liaisons hydrogène δh du paramètre de Hildebrand inférieure à 6,5 (MPa)1/2.
5. Méthode selon l'une des revendications 1 à 4, dans laquelle ledit additif est choisi parmi : les éthers, les cétones, les aldéhydes, les esters, les nitriles, ou leurs mélanges.
6. Méthode selon l'une des revendications 1 à 5, dans laquelle ledit additif comprend de la 2-butanone.
7. Méthode selon l'une des revendications 1 à 6, dans laquelle la quantité d'additif est comprise entre 1 et 50% en volume par rapport au solvant.
8. Méthode selon la revendication 7, dans laquelle la quantité d'additif est comprise entre 10 et 20% en volume par rapport au solvant.
9. Méthode selon l'une des revendications 1 à 8, dans laquelle elle comprend une étape de récupération dudit additif, ou de ses mélanges, par distillation.
10. Méthode selon la revendication 9, dans laquelle le solvant est récupéré par distillation.
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