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Description

LE PROCESS INJECTION D’EAU

MANUEL DE FORMATION COURS EXP-PR-PR150 Révision 0

Exploration et Production Le Process Injection d’eau

LE PROCESS INJECTION D’EAU SOMMAIRE 1

OBJECTIFS

LES FONCTIONS DE L’INJECTION D’EAU

L’IMPORTANCE DE L’INJECTION D’EAU

LE BUT DE L’INJECTION D’EAU

LE PRODUIT FINI

Qualité d’eau requise par la formation

La source d’eau

EXEMPLE D’INJECTION D’EAU

EXERCICES

FONCTIONNEMENT DE L’INJECTION D’EAU

MISE EN ŒUVRE ET CONTRAINTES

LES ÉTUDES CONCEPTUELLES

ARCHITECTURE D'UNE CHAÎNE DE TRAITEMENTS

Eaux de surface

Eaux de nappes profondes

Eaux de production

Succession des fonctions

Relevage et chloration :

Filtration

Désoxygénation

Désaération physique :

Désaération Chimique

Filtration de sécurité

Puits injecteurs

Injections de produits inhibiteurs de corrosion et de bactéricides

LA CHAINE DE TRAITEMENT

LES EQUIPEMENTS SPECIFIQUES

Pompes de relevage

Chloration

Action du chlore

Production du chlore

Injection de chlore

Filtration

La filtration des eaux d’injection

Action du filtre sur une suspension

Matériels de filtration des eaux d’injection

Les filtres à précouche

Filtres à plateaux horizontaux

Filtres à cadres verticaux :

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Exploration et Production Le Process Injection d’eau

Filtre à bougies suspendues :

Filtre de sécurité :

Les filtres à cartouches régénérables en back flow

Les filtres à cartouches jetables

Les hydrocyclones

Pompage HP

Réseau de distribution

EXERCICES

LES DIFFERENTS TYPES D’INJECTION D’EAU

CONCEPTION DES INSTALLATIONS

La formation réceptrice

Régime d'injection

Positionnement des puits injecteurs

QUALITÉ D'EAU REQUISE PAR LA FORMATION ET SOURCE D’EAU

Objectifs fonctionnels des traitements

Importance des choix initiaux

Les principaux procédés et équipements spécifiques

EXERCICES

REPRESENTATION ET DONNEES

PLAN DE CIRCULATION DES FLUIDES (PCF/PFD)

PIPING & INSTRUMENTATION DIAGRAM (PID)

DIMENSIONNEMENT

Exemple typique

Dimensionnement

EXERCICES

L’INJECTION D’EAU ET LE PROCESS

LOCALISATION ET CRITICITE

PROCESS ASSOCIES

PARAMETRES DE FONCTIONNEMENT

NORMAL OPERATING

Objectifs de l’exploitation des installations

Moyens de contrôle

Chloration

Contrôle bactérien

Contrôle de désoxygénation

Contrôle de filtration

Contrôles Corrosion

Suivi des paramètres

Perte de charge sur filtration principale

Teneur en oxygène aval tour

Autres suivis

Lutte antibactérienne

Lutte anti corrosion

SECU OPERATING

Water injection safety aspects

Chemical safety

General Safety

CAPACITES MAXI / MINI

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Exploration et Production Le Process Injection d’eau

Comparaison technico-économiques – Domaines d’application

Critères de choix

Pour les faibles débits < 500m3/j et essais

Pour les gros débits >1000m3 /j :

EXERCICES

CONDUITE D’UNE UNITE D’INJECTION D’EAU

EXEMPLE DE SEQUENCE DE DEMARRAGE

EXEMPLE DE SEQUENCE D’ARRET

EXERCICES

TROUBLESHOOTING

LES SULFATES

Incompatibilité eau de gisement / eau de mer

La desulfatation

EXERCICES

GLOSSAIRE

SOMMAIRE DES FIGURES

SOMMAIRE DES TABLES

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Exploration et Production Le Process Injection d’eau

OBJECTIFS

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Exploration et Production Le Process Injection d’eau

LES FONCTIONS DE L’INJECTION D’EAU 2

L’IMPORTANCE DE L’INJECTION D’EAU Dans un gisement pétrolier,

les fluides qui occupent les vides de roche ou "pores" : l'eau,

sont en équilibre statique sous l'action des forces de pression,

de gravité et de capillarité

La mise en production,

par l'intermédiaire de puits producteurs,

induit un mouvement des fluides en place,

qui se traduit par un transfert des pores vers la surface

Il apparaît alors des forces d'inertie (faibles) et de frottements visqueux

Ce mouvement des fluides nécessite des phénomènes physiques moteurs

Les moteurs naturels,

ou faisant potentiellement partie du gisement sont : les expansions monophasiques de la roche magasin et des fluides : gaz,

accompagnant une baisse de pression,

l'expansion des gaz dissous dans l'huile,

si la pression devient inférieure au point de bulle,

l'expansion d'un aquifère sous-jacent à l'accumulation,

l'imbibition (l'eau chasse l'huile)

Sauf dans le cas des gaz ou de la présence d'un aquifère actif (alimenté par l'extérieur),

les taux de récupération naturelle obtenus sont faibles (20 à 25 %)

De plus,

la production ralentit inexorablement

Si l'on peut aider les fluides à s'élever dans les tubings (activation par pompage ou gaslift),

laisser se dépléter un gisement présente des inconvénients majeurs en termes de récupération

L'injection d'eau ou de gaz dans le gisement permet de "maintenir la pression"

Il s'agit de récupération assistée parfois appelée récupération secondaire

L'injection d'eau (prélevée dans une autre source que le gisement lui-même),

ou la réinjection de l'eau associée au brut après séparation,

constitue le procédé de récupération assistée le plus utilisé (80 % à 85 % de l'huile supplémentaire produite)

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Exploration et Production Le Process Injection d’eau

L'injection d'eau sera le plus souvent décidée dans les cas suivants : gisement d'huile à faible énergie : huile sous-saturée,

aquifère peu actif ou de volume négligeable,

gisement d'huile peu perméable ou de grandes dimensions (écarts de pression trop importants),

gisement d'huile de configuration géométrique telle que les entrées naturelles d'eau,

laissent des zones importantes non balayées

LE BUT DE L’INJECTION D’EAU Optimiser la production et augmenter la récupération par : le maintien de pression,

le balayage de l'huile en place

Figure 1: Cycle de l'eau Support de Formation: EXP-PR-PR150-FR Dernière Révision: 07/06/2007

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Exploration et Production Le Process Injection d’eau

LE PRODUIT FINI 2

Qualité d’eau requise par la formation La possibilité d'injecter à long terme de l'eau dans une formation pétrolière dépend de nombreux facteurs et se traduit par l'"injectivité"

Injectivité = f[P,Q,II(k

Kre,µ,B

pression (différence fond de puits-couche) débit index d'injectivité épaisseur de la couche perméabilité relative à l'eau perméabilité moyenne dans l'aire de drainage viscosité à P et T facteur formation de l'eau

La qualité de l'eau a une influence sur l'index d'injectivité

Pour qu’il reste constant,

toutes choses égales par ailleurs,

il convient que l'eau injectée ne soit pas colmatant pour la liaison couche trou et la formation,

et qu'elle n'induise ni réactivité d'argiles,

En d'autre terme,

La source d’eau On distingue généralement 3 types d'eau suivant leurs provenances : les eaux de surface : mer,

les eaux de nappes profondes les eaux de production : gisement,

dont les caractéristiques sont regroupées schématiquement dans le tableau ci-après :

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Exploration et Production Le Process Injection d’eau

MES solides

Matières organiques dispersées

Organismes vivants

Bactéries SRB

Rivières et lacs

Marigots Lagunes

Mer profonde

Phréatique

** ** V

Profonde

Eau de gisement

** +H2S

Eau de dessalage

** +H2S

Eau de condensation

** +H2S

TR : Traces V : Variable HC : Hydrocarbures

Table 1: Caractéristiques de différentes sources d'eau Le choix de la source d'eau doit être effectué avec le plus grand soin

Une source d'eau plus difficile d'accès ne doit pas être exclue sur ce seul critère

Si une eau brute a déjà presque toutes les qualités requises,

il n'y a plus de traitement hormis le soutirage et le pompage

En offshore,

peut être parfois remplacée par de l'eau de nappe qui ne nécessite pas ou peu de traitement

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Exploration et Production Le Process Injection d’eau

Figure 2: Composition de l’eau de mer

Figure 3: Représentation graphique de la composition de l'eau de mer

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Exploration et Production Le Process Injection d’eau

Dissolved Ion

River Water

Ocean Water

Bicarbonate (HCO3- / CO3--)

Calcium (Ca++)

Silica (SiO++)

Sulfate (SO4--)

Chloride (Cl-)

Sodium (Na+)

Magnesium (Mg++)

Potassium (K+)

Nitrate (NO3-)

(Fe,Al)2O3

Table 2: Comparatif entre l'eau de rivière et l'eau de mer

Sea Water The quantity of suspended solids in Sea Water depends on location,

The nature of suspended solids in Sea Water is essentially organic When selecting a water intake,

the depth at which the water should be pumped must be properly selected to minimise the Total Suspended Solids content

Figure 4: Suspended solids counts in North Sea water at various depths

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Exploration et Production Le Process Injection d’eau

Figure 5: Biological activity at various depths La figure ci-dessous est tiré des études de l'Université de Tulsa sur le thème "Subsurface disposal of industrial wastes" (E

Donaldson et F

Manning),

et du courrier de Johnson (n° spécial sur l'injection des effluents à grande profondeur)

Figure 6: Capacité d’injection en fonction des perméabilités

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Exploration et Production Le Process Injection d’eau

EXEMPLE D’INJECTION D’EAU

Figure 7: Modélisation d'une unité de traitement d'eau d'injection avec désulfatation

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Exploration et Production Le Process Injection d’eau

Figure 8: Architecture d'un système d'injection d'eau – Chaîne classique avec dessulfatation

EXERCICES

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Exploration et Production Le Process Injection d’eau

FONCTIONNEMENT DE L’INJECTION D’EAU 3

MISE EN ŒUVRE ET CONTRAINTES Le choix de l'injection d'eau implique : Une bonne connaissance du réservoir et de l'aquifère,

donc un minimum d'historique de production

Si l'injection d'eau est simultanée à la mise en production,

il convient de tenir compte de la marge d'incertitude (débit-pression) dans la conception des installations

Une définition aussi précise que possible de la qualité de l'eau requise par la formation,

en terme de compatibilité ionique,

granulométrie des particules solides et pouvoir colmatant

nécessité d'études et d'essais sur des échantillons d'eau de gisement et des échantillons de terrain (carottes)

La disposition d'un approvisionnement en eau suffisant,

La réalisation de puits injecteurs,

judicieusement placés et équipés des moyens de liaisons couche-trou adaptés à la formation,

aux qualités d'eaux et aux conditions hydrauliques

La réalisation des installations de surface nécessaires au traitement de l'eau,

à sa distribution et à son injection,

et la prise en compte de ces installations dans l'exploitation du champ

Procédé de récupération assistée le plus important dans le monde,

l'injection d'eau doit être l'une des préoccupations majeures des exploitants,

tant au niveau conception que conduite des installations

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Exploration et Production Le Process Injection d’eau

LES ÉTUDES CONCEPTUELLES La mise en oeuvre du procédé "injection d'eau" sur un site pétrolier nécessite un ensemble d'études interdépendantes et pluridisciplinaires,

et la synthèse des travaux de plusieurs équipes de spécialistes

Le fluide "process" étant l'eau,

le projet aura pour objectif de prélever une certaine quantité d'eau dans une source convenable,

de la traiter pour atteindre certains critères de qualité,

de l'injecter dans la formation

Une organisation spécifique est nécessaire,

parfois difficile à définir,

les sociétés pétrolières étant classiquement structurées pour l'extraction et le traitement des hydrocarbures liquides ou gazeux

En bref,

on peut répartir les tâches de la manière suivante : les équipes gisement ont la responsabilité de la définition des objectifs à atteindre en terme de quantité et qualité d'eau,

les exploitants ont en charge la définition des moyens à mettre en oeuvre pour la réalisation de ces objectifs

Schématiquement,

ceci revient à établir un "cahier des charges" en répondant aux questions : quoi

et à concevoir une installation industrielle répondant au cahier des charges,

c'est-à-dire à la question comment

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Exploration et Production Le Process Injection d’eau

ARCHITECTURE D'UNE CHAÎNE DE TRAITEMENTS L'architecture de la chaîne de traitements d'eau d'injection dépend de la source d'eau et des performances attendues

Les différentes fonctions et procédés utilisés sont interdépendants,

une succession logique des traitements

Figure 9: Architecture de la chaîne de traitement d'eau d'injection de Girassol

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Exploration et Production Le Process Injection d’eau

Eaux de surface

Figure 10: Chaîne d’injection d’eau de mer L'architecture ci-dessus est schématiquement celle d'une chaîne d'injection d'eau de mer,

Note sur la chloration : Oxydant puissant,

où le chlore a un degré d'oxydation de

a une triple fonction : antifouling (« antisalissures » destinée à empêcher les organismes marins de se fixer),

aide à la filtration (la destruction des organisme marin facilitera d’autant plus la filtration en val de l’injection du chlore),

Son action est proportionnelle à sa concentration et au temps de contact

La première est limitée pour des raisons de corrosion,

le second par la désoxygénation

Les eaux de surface sont de qualité très variable et sont quasi saturées en oxygène dissous

On évitera les très fortes teneurs en MES,

les équipements de filtration utilisés étant des "clarificateurs"

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Exploration et Production Le Process Injection d’eau

Eaux de nappes profondes

Figure 11: Chaîne d'injection d'eau de nappes profondes La plupart du temps,

les nappes profondes produisent de l'eau sans oxygène,

et le régime de production permet l'absence de MES

Dans certains cas,

la présence de CO2 est source de corrosivité et il peut y avoir présence de bactéries anaérobies (pollution des puits qui sont alors à traiter)

C'est la source d'eau qui nécessite le moins de traitements

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Eaux de production

Figure 12: Chaîne des eaux de production Le problème majeur est celui du colmatage par les MES associées à l'huile

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Succession des fonctions Les différentes fonctions et équipements qui composent la chaîne de traitement ne peuvent être placés dans un ordre quelconque

Dans le cas de l'eau de mer,

qui constitue l'essentiel de nos installations,

les fonctions de traitement se succèdent de la façon suivante : Relevage et chloration Filtration Désoxygénation Filtration de sécurité

Relevage et chloration : La chloration placée en amont permet d'assurer la fonction antifouling et procure le temps de contact maximal pour les fonctions aide à la filtration et bactéricide

Figure 13: Relevage et chloration Support de Formation: EXP-PR-PR150-FR Dernière Révision: 07/06/2007

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Exploration et Production Le Process Injection d’eau

Figure 14: Réseau chloration (Girassol)

Filtration La filtration est placée en amont des tours de désoxygénation,

les équipements de filtration protègent les tours des dépôts de MES et plancton,

et sont indépendants des fluctuations de débit aval tour

La filtration multi-média consiste en une succession de plusieurs types de filtration (avec ou sans pression),

afin d'éliminer les matières solides,

les impuretés en suspension et les composants dissous (tels que Fe,

L'eau passe à travers plusieurs lits de média tels que le sable fin,

l'anthracite (filtration des sédiments)

le charbon actif ou le dioxyde de manganèse

Pendant la filtration,

les impuretés sont piégées dans les espaces entre les grains du média et également sur la surface supérieure du lit

Régulièrement,

le filtre est nettoyé en inversant le sens d'écoulement

Pendant ce processus,

le lit est étendu et libère toutes les impuretés piégées qui sont alors évacuées

le filtre peut à nouveau être utilisé

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Exploration et Production Le Process Injection d’eau

Figure 15: Vue éclatée d’un filtre multimédia

Figure 16: Filtres à diatomées

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Exploration et Production Le Process Injection d’eau

Figure 17: Principe de fonctionnement filtre d'eau multimédia

Figure 18: Filtre d'eau diatomées Support de Formation: EXP-PR-PR150-FR Dernière Révision: 07/06/2007

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Exploration et Production Le Process Injection d’eau

Seuils (β ≥75)

15 A sable

30 à 1

Lourds et encombrants

Accepte fortes charges

Floculation délicate

Bonnes performances

Contamination bactérienne

Investissement modéré

Interventions sur le lit lourdes

Excellente qualité d’eau

Risques de rupture des précouches

selon précouche (grade) Nota : peuvent descendre à 0

Poids et encombrement moyens

60 à 1

Nécessite filtres de sécurité Grande flexibilté Faible coût des adjuvants

Léger et petit selon media

Pseudo-continu Grande facilité d’intervention (type carters indépendants)

Cartouches jetables

Technologie éprouvée seul

Inconvénients

A précouche

Avantages

selon media Nota : peuvent descendre à 0

Excellente qualité d’eau

Manipulation des terres de diatomée pénible Maintenance plus lourde car pièces mobiles Performances moyennes Média métalliques seuls utilisables

Coût d’exploitation colossal pour de gros débits

Petits et simples Investissement faible

Changement des cartouches astreignant

Table 3: Avantages et inconvénients des différents types de filtres

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Exploration et Production Le Process Injection d’eau

Désoxygénation

Tour de lavage du gaz : désaération de l’eau par stripping

Figure 19: Logigramme de la désoxygénation Principe de la désoxygénation physique: la pression totale Pt d'un mélange est égale à la somme des pressions que chaque gaz exercerait s'il était seul

la concentration d'un gaz dans un liquide est proportionnelle à la pression partielle de ce gaz au-dessus de l'interface liquide

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Exploration et Production Le Process Injection d’eau

Pour diminuer la concentration d'un gaz dans le liquide il suffit de diminuer sa pression partielle: soit en diminuant Pt,

c'est le dégazage sous vide soit en diminuant la concentration du gaz dans le mélange gazeux,

c'est le dégazage par injection de gaz (stripping)

Figure 20: Tour de désaération de l’eau par stripping 3

Désaération physique : Le procédé le plus communément utilisé est le stripping en colonne à plateaux soit par gaz,

soit mixte suivant les possibilités locales

Lorsque ce genre d’unité est bien réglé,

il permet de réduire la teneur en oxygène jusqu’à des valeurs de l’ordre de 5 ppb et de manière normale à 100 ppb

Des valeurs de 0

Ce système implique l’injection systématique d’anti-oxygène,

injection qu’il sera utile de commander automatiquement par l’intermédiaire d’un analyseur d’oxygène

Il est en outre,

utile de signaler l’effet bénéfique sur la désaération qu’offre le procédé d’injection de gaz dans la ligne d’eau

Cette technique peut être envisagée dans certains cas

Le système de désaération par stripping au gaz peut entraîner des précipitations de CO3Ca si le gaz de stripping ne contient pas de CO2 (nécessité alors d’acidifier légèrement l’eau de mer à l’entrée de la tour de stripping ou d’injecter un anti dépôt

L’excès de CO2 peut,

conférer à l’eau strippée un caractère corrosif que l’on inhibera par injection d’inhibiteur de corrosion ou (mieux) de bactéricide à pouvoir inhibiteur de corrosion (ammonium quaternaire ou amine par exemple)

L’utilisation de gaz contenant de H2S doit être proscrite (risque de corrosion localisée très élevée et impossibilité pratique d’inhiber ce genre d’attaque,

à l’heure actuelle)

En effet,

la présence de traces d’oxygéné résiduel en même temps que d’H2S confère un pouvoir très agressif à l’eau,

les sulfites (catalysés par des ions métalliques incompatibles avec le S) sont alors inefficaces et l’injection d’un inhibiteur de corrosion aggrave le caractère localisé de la corrosion (diminution des surfaces attaquées mais accélération de la vitesse d’attaque des plages anodiques)

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Exploration et Production Le Process Injection d’eau

Des problèmes ont existé avec seulement 20 ppm d’H2S dissous et 1 ppm d’O2

S’orienter alors vers un stripping sous vide

Outre les risques de Précipitation du CO3Ca,

le siège de moussages qui réduisent notablement son efficacité

Il faudra prévoir un dispositif d’injection d’anti mousse à l’entrée de la tour

L’anti mousse devra être un produit soluble dans l’eau,

il faudra éviter d’utiliser les silicones,

en raison de leur insolubilité et surtout du risque de dégradation en silice colloïde à fort pouvoir colmatant

Utiliser de préférence des poly glycols

Désaération Chimique La désaération chimique se fait par réaction chimique de réducteurs sur l’oxygène

Parmi les nombreux produits réducteurs les plus commodes à utiliser sont les sulfites de sodium et bisulfites d’ammonium catalysés

Ce produit augmente le pH ce qui peut être bénéfique pour la stabilisée des carbonates

Leur action est également très spécifique suivant la qualité de l’eau à traiter,

certains substances contenues dans l’eau peuvent bloquer totalement les mécanismes de réduction

Des essais de sélection sont impératifs dans les conditions d’utilisation,

la détermination de la vitesse de réaction permettra de définir (et de limiter) le volume des capacités nécessaires

Une méthode indirecte de désaération chimique déjà mentionnée est le relevage d’eau de mer dans un puits alimenté à travers des couches réductrices

Elle n’est presque jamais totale et nécessite un complément par sulfite

Dans tous les cas,

l’absence d’oxygène favorise la prolifération des bactéries anaérobie donc des sulfatoréductrices

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Exploration et Production Le Process Injection d’eau

Figure 21: Tour de désoxygénation par stripping de gaz

Figure 22: Tour de désoxygénation sous vide

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Principe de fonctionnement de la pompe à vide: Le liquide auxiliaire et le gaz pénètrent séparément dans la pompe : Le gaz par l’orifice d’aspiration Le liquide auxiliaire par un orifice situé au point bas de la pompe

Figure 23: Pompe à vide La description du fonctionnement de cette pompe est réalisée dans le cours « équipement pompes »

Le gaz et le liquide sont rejetés simultanément par l’orifice de refoulement et séparés dans un réservoir de recyclage Le gaz s’échappe du réservoir par l’orifice supérieur,

le liquide auxiliaire peut retourner à la pompe pour alimenter l’anneau liquide

Figure 24: Principe fonctionnement pompe à vide

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Filtration de sécurité La filtration de sécurité est placée le plus en aval possible,

mais dans la partie basse pression de l'installation,

les filtres de sécurité jouent un rôle de fusible en cas de défaillance de la filtration principale et ont un rôle de protection des pompes H

Figure 25: Filtre de sécurité

Figure 26: Cartouches de filtres

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Puits injecteurs

Figure 27: Puits injecteurs et lignes d'injection

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Figure 28: Exemple de complétion d'un puits injecteur

Injections de produits inhibiteurs de corrosion et de bactéricides Les injections de produits inhibiteurs de corrosion ou bactéricides seront effectuées en aval des filtres de sécurité car ces produits seraient arrêtés sur les filtres

Facteurs dimensionnants : Sans tenir compte des coûts d'exploitation qui seront cernés pour compléter cette étude,

au niveau des investissements,

les paramètres importants sont : la puissance installée : de 2,4 à 3,6 MF/MW installé,

le supportage des installations : de 60 à 100 MF/m2 (offshore : 50 à 130 m d'eau),

l'importance des traitements nécessaires pour atteindre les spécifications de qualité d'eau

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Le paramètre de dimensionnement majeur est le débit qui a un impact sur tous les composants

Le cahier des charges doit être clair et précis pour cerner les coûts d'investissements dès le début du projet

Ces éléments d'évaluation ne sont que des ordres de grandeur,

issus de nos propres installations ou établis à partir d'offres de fournisseurs

LA CHAINE DE TRAITEMENT A partir d’une source d’eau,

il faut injecter dans la formation pétrolière,

par l’intermédiaire de puits injecteurs et selon un échéancier prévu,

des quantités d’eau compatible avec la formation réceptive et aux meilleurs coûts d’investissement et d’exploitation

Les équipements composant la chaîne de traitements d’eau doivent assurer les fonctions de : Captage de l’eau Transfert de l’eau du point de prélèvement aux puits injecteurs,

en assurant les pertes de charge dues aux équipements de traitement

Filtration pour assurer la comptabilité mécanique avec la formation (noncolmatage durant la durée d’exploitation

Lutte contre la corrosion

Lutte anti-bactérienne

Pompage haute pression pour l’injection

Distribution de l’eau traitée

Injection par les puits munis des équipements de fond et de surface adaptée

Ne font l’objet de traitements proprement dits que les fonctions de filtration,

lutte contre la corrosion et lutte anti-bactérienne

Rappelons que les traitements n’ont pour objet que de rendre l’eau compatible avec la formation réceptrice

Selon la qualité de l’eau brute,

c’est à dire le choix de la source d’eau,

ces traitements seront ou non indispensables,

et auront une importance variable

En ce qui concerne la lutte anti-corrosion,

elle n’a pour objet que de protéger les installations qui actuellement ne sont pas toutes résistantes à la corrosion

L’oxygène dissous dans l’eau est un facteur de corrosion très important et classiquement un traitement de désoxygénation est installé pour les eaux aérées Support de Formation: EXP-PR-PR150-FR Dernière Révision: 07/06/2007

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LES EQUIPEMENTS SPECIFIQUES 3

Pompes de relevage Les pompes de relevage de type suspendu (moteur en surface) sont immergées dans des « riser » débouchant à une profondeur d’eau choisie après des échantillonnages à diverses cotes

En général,

pour des profondeurs moyennes,

la cote optimale se situe à mi-distance entre le fond et surface

La métallurgie des pompes est prévue résistant à la corrosion par l’eau de mer aérée et chlorée à 5 ppm

Après de nombreux échecs (percement,

les risers en acier revêtu de rilsan ont été remplacés par des composites (fibre de verre,

époxy) boulonnés inox noyé

Chloration 3

Action du chlore Le chlore,

est une bénédiction pour le traiteur d’eau

Dans le traitement des eaux d’injection,

la chloration assure trois fonctions fondamentales : Anti-fouling : Il protège les équipements immergés (pompe,

et le circuit primaire jusqu’aux filtres des accrochages et des proliférations d’organismes marins qui se fixent sur les parois et obturent les canalisations

Aide à la filtration : Par son action oxydante sur la matière organique dispersée,

le chlore détruit les mucilages et les amas organiques à forte teneur en eau,

qui sont particulièrement colmatants

C’est un floculant des colloïdes

Il n’y aurait pas de filtration fine possible de matière industrielle à gros débit sans chloration préalable

Bactéricide : Le chlore est connu comme un bactéricide très puissant à des concentrations faibles (quelques ppm)

En réalité,

un dérivé du chlore en solution aqueuse,

à l’effet bactéricide le plus marqué

La concentration en acide hychloreux pour la même dose de chlore ou d’hypochlorite dépend essentiellement du pH

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Remarque Le chlore actif à un degré d’oxydation + et non – L’action du chlore est à la fois proportionnelle au temps de contact et à la concentration

Une faible concentration pendant un long temps de contact équivaut à une forte concentration avec un temps de contact bref

Production du chlore L’apport de chlore peut se faire par du chlore liquide (bouteille),

de l’eau de javel ou du chlore solide (ATCC)

En off-shore,

nous avons la chance de pouvoir produire le chlore par électrolyse de l’eau de mer

A l’anode

2 x Cl-

Cl2 + e-

A la cathode

Na++ e-

En présence d’eau

Cl2 + OHÆ Na + H2OH Æ

Globalement,

Cl- + (HClO) H2 + NaOH

Cette électrolyse est réalisée dans des appareils appelés électrochlorateur qui restituent une solution d’hypochlorite de sodium à l’eau de mer

La consommation électrique de ces appareils est de 6 à 8kW /kg de chlore produit

Figure 29: Electro chlorateur

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Dosage Le dosage du chlore injecté dans l’eau brute est fonction de la qualité de matière organique oxydable

Le dosage nécessaire à l’oxydation des matières organiques est déterminé par la mesure du « break point » qui tient compte de la formation de dérivés ammoniaqués du chlore qui sont eux-mêmes des oxydants

Mais le chlore est également très corrosif et sa concentration doit être limitée à quelques diziéme de ppm pour ne pas corroder les aciers

Remarque : En réalité,

dans les installations actuelles le chlore est éliminé en grande partie au niveau des tours de désaération

La partie résiduelle est éliminée par oxydation du sulfate utilisé comme réducteur d’oxygène

Injection de chlore L’injection du chlore se fait au-dessous de la pompe de relevage (1 à 2 m au-dessous de l’aspiration) par l’intermédiaire d’un flexible ou d’un tuyau rigide fixé au riser

Il est important que l’injection ne soit pas effectuée au-dessus de la pompe qui est une zone morte,

et que l’injection du chlore soit arrêtée simultanément à la pompe de relevage

Dans le cas contraire,

la concentration en chlore peut dépasser la tolérance corrosion et entraîner des dommages graves

Filtration 3

La filtration des eaux d’injection Une suspension peut être caractérisée par deux facteurs intrinsèques (qui ne dépendent que de l’eau considérée) : Une concentration en matières non dissoutes et solides représentées par une mesure normalisée,

les MES (Matières En Suspension)

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La répartition granulométrique des matières en suspension qui peut être exprimée en fraction pondérale ou en nombre de particules par unité de volume et par classes de diamètres équivalents

Remarque : Diamètre équivalent = diamètre d’une sphère ayant même volume ou même surface ou même surface projetée que les particules considérées de forme non régulière

La taille des particules solides à éliminer pour une injection d’eau est du même ordre de grandeur que les dimensions des seuils de pores des formations réceptrices soit de 1 à quelques dizaines de microns

Cette filtration est donc du domaine de la charge en MES (< 30mg/l) et cette filtration est une clarification

Action du filtre sur une suspension Un filtre est un séparateur liquides

- solides,

qui permet d’éliminer une fraction des particules solides,

par rétention sur ou au sein d’un corps poreux,

lors du passage d’une suspension,

à travers ce média

Le résultat est une modification de la courbe granulométrique des matières en suspension et une diminution de la teneur en solides (MES)

Corrélativement,

le pouvoir colmatant de la suspension se trouve modifié

Le pouvoir colmatant n’est pas un paramètre intrinsèque à la suspension

C’est une valeur relative au milieu poreux traversé

Une eau boueuse peut avoir un pouvoir colmatant nul vis à vis d’une grille,

alors qu’une eau claire peut avoir le pouvoir colmatant élevé vis à vis d’une membrane microporeuse

Seuil absolu de filtration : C’est le diamètre équivalent de la plus grosse particule pouvant traverser le média

Correspond pratiquement à compter zéro particules supérieures ou égales à x β (µm)

Pratique industrielle en injection d’eau : β > 75 µm

Matériels de filtration des eaux d’injection Les installations d’injection d’eau traitent de gros débit,

en général plusieurs milliers de m3/jour,

et le plus souvent doivent avoir une marche continue

La filtration de par la nécessité d’effectuer périodiquement une régénération ou en changeant des médias filtrants est discontinue

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Il sera donc toujours nécessaire de prévoir plusieurs appareils,

l’un pouvant être régénéré pendant que les autres assurent la filtration de l’ensemble du débit

Parmi l’ensemble des filtres clarificateurs industriels existants sur le marché,

on distingue trois grandes familles de filtres qui sont adaptables à travers les médias

Il est à noter que ne sont utilisés que les filtres fermés et sous pression

Dans tous les cas,

le filtre crée une perte de charge qui sert à forcer l’eau à travers le média

La distinction se fait moins entre filtration de surface et filtration en profondeur qu’en fonction des médias filtrants et des systèmes de régénération

Les filtres à précouche Assez largement utilisés dans les industries non pétrolières (chimie – agroalimentaire),

Ces filtres utilisent un média filtrant constitué par un gâteau (cake) de matériaux granulaires (adjuvant de filtration) déposé avant le cycle de filtration sur un support

Ce support est généralement une toile textile ou métallique dont le vide de maille est relativement grossier (< 60 µm en injection d’eau)

Les adjuvants utilisés en injection d’eau sont les terres de diatomées et les filtres sont souvent dits à terre de diatomées ou à diatomite

Les diatomées sont des algues brunes unicellulaires dont la membrane cellulosique à la propriété de fixer la silice de l’eau et forme une « frustule » de silice hydratée

Ces frustules ont des tailles de 4 à 50 microns,

et présentant des formes extrêmement diverses

Après fossilisation,

les dépôts importants une roche légère et très poreuse : la terre de diatomées

Après traitement (calcination,

les diatomites se présentent sous forme d’une poudre fine,

qui permet la formation de gâteux d’une très grande porosité,

Les densités de gâteau sont de l’ordre de 0

3 g/cm3

Principe de fonctionnement : Dépose de la précouche : Une suspension à haute charge de terre de diatomées (T

D) est forcée à travers la toile support

Les mailles de la toile sont rapidement obstruées par des ponts de particules enchevêtrées qui empêchent les,

autres particules de traverser

Il se forme une couche (gâteau – cake) homogène,

et de très forte porosité et perméabilité mais dont les diamètres de pores sont très fins

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L’effluent devient clair,

il y a séparation de la suspension de terres de diatomées

L’opération de dépose de la précouche est alors terminée

Remarques : Pour favoriser l’accrochage de la précouche au support et la stabilité des ponts obstruant les mailles,

on peut réaliser un dépôt de fibres longues (amiante,

coton) soit préalablement mélangée à cette dernière

Pour améliorer les seuils de filtration obtenus,

on peut également constituer des multicouches,

en superposant des couches de grades différents

Certains adjuvants comportent en plus des terres de diatomées,

des produits à haute capacité de rétention d’hydrocarbure,

ce qui permet au filtre d’éliminer des traces d’huile qui pourraient être contenues par brute

Filtration – Nourrissage : Après la dépose de ou des précouches,

le flux de suspension est remplacé par le flux d’eau brute à traiter

Vu la faible taille des pores de la précouche,

la filtration est principalement une filtration de surface,

et il y a formation d’un cake des matières en suspension éliminées

Généralement,

ce cake n’a pas la perméabilité de la précouche et peut même être quasi imperméable

On injecte donc en contenu dans l’eau à traiter une suspension de terres de diatomées,

généralement d’un grade grossier

Ces particules de diatomites sont intégrées au cake formé en lui donnant une porosité plus importante et une perméabilité acceptable

Régénération : L’opération de régénération se fait par « tombée » de la précouche et du cake de MES et,

Il ne peut donc y avoir encrassement du média,

puisqu’il est éliminé à chaque cycle

Selon la technologie du filtre,

la « tombée » se fait par contre courant,

ou par lavage sous pression des supports

L’appareil est ensuite prêt à recevoir une nouvelle précouche par un nouveau cycle de filtration

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Type de matériels : Les différents types de filtres à précouche se déterminent en fonction de la forme et de la disposition des supports

Filtres à plateaux horizontaux Ces appareils sont constitués d’un empilement de plateaux circulaires creux et horizontaux

Le tout est enfermé dans un cylindre vertical « le corps »

La face supérieure de chaque plateau est munie d’une toile support de précouche

L’eau brute est admise dans le corps du filtre et l’eau filtrée est évacuée par l’axe central creux qui traverse tous les plateaux

L’avantage de ce type de filtre à plateaux horizontaux est une bonne tenue de la précouche,

l’effet de la pesanteur ayant tendance à maintenir à maintenir la précouche

Seules les faces supérieures sont utilisées et la surface de filtration est faible par rapport à l’encombrement du filtre

La régénération est effectuée le plus souvent par contre courant d’eau et mise en rotation rapide des plateaux,

Filtres à cadres verticaux : La disposition des plateaux est identique,

mais l’empilement cylindrique est horizontal

Ce qui permet d’équiper les deux faces des plateaux en toiles supports

L’encombrement extérieur est par conséquent réduit pour une même surface de filtration,

mais les précouches sont plus sensibles à la « tombée »

La régénération est effectuée par une mise en rotations lentes des cadres et les jets d’eau sous pression,

tangentielles aux surfaces de toile

C’est ce type de filtre que nous avons retenu pour les applications industrielles de l’injection d’eau

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Filtre à bougies suspendues : Le corps du filtre est un bidon dans lequel est aménagé un « plafond » auquel sont suspendues les bougies

Ces bougies sont constituées d’un matériau poreux ou sont équipées sur leur surface externe de toile supports

Les bougies généralement cylindriques sont équipées d’une évacuation centrale de l’eau filtrée qui débouche dans la partie supérieure du bidon

Ces filtres présentent l’avantage d’une grande surface de filtration pour un faible encombrement extérieur

lors de la dépose des précouches,

on observe que la répartition est moins uniforme que dans le cas des filtres à cadres

De plus,

ces filtres sont excessivement sensibles aux vibrations de par la conception même des bougies suspendues

C’est ce qui les rend impropres à un usage sur plateforme

Choix des terres de Diatomées : Le grade de l’adjuvant de filtration est en fonction du seuil de filtration désiré

Plus la granulométrie est fine,

meilleur est le seuil de filtration

Cependant,

les ponts de terres de diatomées sur les mailles des toiles supports sont d’autant plus fragiles que la granulométrie est fine

Pour atteindre des seuils très fins (de l’ordre du micron),

on a intérêt à travailler en deux couches de terres de diatomées (voire trois couches)

En effet,

il faut respecter un écart faible de granulométrie d’une couche à la suivante pour éviter que le mélange des deux couches ne conduise à une précouche de faible perméabilité

Les terres de diatomées utilisées pour le nourrissage seront toujours de granulométrie relativement élevée ou moyenne

Des essais au laboratoire et en petit pilote sur le site sont indispensables pour optimiser le choix des terres de diatomées et la charge nécessaire par unité de surface

La charge moyenne est de 0

ce qui conduit à une épaisseur de précouche initiale de 2

5 à 5 mm

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Dépose des précouches : Bac de préparation des précouches : Volume : au moins les 3/4 du volume du filtre

Rapport hauteur : diamètre : de 1 à 1

Pompe de circulation : Débit : pour la vitesse de filtration maximale + 10% Pression : 10 bars Vitesse de filtration : Notre expérience en eau de mer nous conduit à préconiser une vitesse de filtration de 1

2 m/h-1

Une vitesse plus élevée peut être admise sur les autres filtres lors de la régénération d’un filtre,

Pertes de charge : Initiale : environ 0

Finale : environ 2 bars

La perte de charge en fin de cycle de filtration est en fonction de la perméabilité du cake formé

Le nourrissage permet de maintenir cette perméabilité de manière à allonger au maximum le cycle de filtration

Le taux de nourrissage est variable avec l’eau à traiter et se détermine par des essais

Filtre de sécurité : Les terres de diatomées sont des éléments extrêmement abrasifs et des agents colmatant

Le risque principal d’utilisation des précouches est la rupture accidentelle des précouches et l’envoi d’un bouchon de terres de diatomées dans l’eau filtrée

Par ailleurs,

il subsiste une légère fuite de terres de diatomées dans l’eau traitée

Il est donc nécessaire d’avoir en aval des filtres à précouches un filtre de sécurité

Ce filtre de sécurité ne doit en aucune manière être un filtre finisseur

Son seuil de filtration sera donc choisi supérieur à celui des précouches

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Figure 30: Filtre à diatominée

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Les filtres à cartouches régénérables en back flow Principe de fonctionnement : Ce sont des filtres de surface,

dont les médias filtrants sont généralement des toiles métalliques ou textiles supportées par un cylindre perforé

L’ensemble support-média est appelé cartouche ou bougie

Un système mécanique permet de placer à l’amont de chaque bougie à l’atmosphère,

induisant une circulation du fluide inverse de la filtration

Cette circulation inverse à pour but de faire « tomber » le cake des matières en suspension retenu sur le média et de l’éliminer

Ce back flow de régénération nécessite donc une certaine pression en aval des bougies et est asservie soit à la différence de pression amont – aval,

soit à une temporisation ou les deux à la fois

La régénération peut être rendue plus efficace : Par une déformation du média lors du back flow qui fissure et détache le cake

Par la libération d’une capacité d’air comprimé dans le circuit aval qui provoque un à-coup de pression

Dans tous les cas,

le point clé de ces appareils est la régénération fonction de l’adhérence du cake sur le média filtrant

Types de matériels : Il existe deux grands types de matériel,

selon que les cartouches sont à carter indépendant ou groupées dans un bidon unique

A carters indépendants : Les bougies sont constituées par un support cylindrique perforé,

obturé à une extrémité et disposé axialement dans un carter également cylindrique

Le média est constitué d’une « chaussette » textile que l’on enfile sur le support,

et qui y est maintenu par un collier ou par une toile mécanique solidement maintenue

La mise en back-flow est faite pour la suppression de l’admission de l’eau brute et l’ouverture du carter sur le réseau de purge

La pression aval filtre assure le débit de la régénération

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Figure 31: filtres à cartouches régénérables en back flow à carters séparés A carter Commun : Toutes les bougies du filtre sont disposées dans un bidon en général cylindrique

Elles sont également formées d’un cylindre métallique

Un deuxième support est appliqué sur le média pour le maintenir contre le support

Figure 32: filtres à cartouches régénérables en back flow à carter commun L’eau brute est admise à l’intérieur des cartouches et l’eau filtrée est collectée dans le bidon dans l’espace externe des bougies

Un patin tournant,

appliqué sur le plateau d’admission permet la mise en communication de l’intérieur des cartouches (amont) avec le réseau de purge,

par « paquets » de deux à six bougies

La régénération est beaucoup moins efficace que dans le type à carters indépendants

Par ailleurs,

des médias textiles fins peuvent être poinçonnées sur les trous du support

L’avantage essentiel de ce type de matériel est son faible encombrement

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Régénération : Dans le cas des carters communs,

outre la perte de charge aval filtre – purge,

on ne peut jouer que sur la vitesse de rotation du patin tournant dans une plage de 10 à 30 tr/min

Des vitesses supérieures entraînant une usure prématurée du patin

Dans le cas des carters indépendants,

on peut jouer à la fois sur la fréquence des régénérations et sur la durée du régénérateur,

ce qui permet un contrôle complet de l’opération par l’exploitant

Dans tous les cas,

seuls des essais en conditions réelles permettent l’optimisation des paramètres de régénération

Les filtres à cartouches jetables Très ancien,

le filtre à cartouche a eu un grand développement

Sa simplicité et sa facilité de mise en œuvre l’ont fait utiliser dans un grand nombre d’applications

Principe de fonctionnement : Les cartouches sont des cylindres creux dont les parois constituent le média filtrant

Le fluide à filtrer passe radicalement de l’extérieur à l’intérieur du cylindre ou le filtrat est collecté

La filtration s’effectue en surface uniquement si le média est une « membrane » ou également légèrement en profondeur si le média est une surface épaisse

La dimension des cartouches a été standardisée,

quoique tous les fabriquant ne soient pas aux normes,

mais en particulier les longueurs sont de 10 » ou des multiples de 10 »

Les filtres sont de simples bidons généralement cylindriques dans lequel on dispose de une à plusieurs centaines de cartouches et munis des équipements internes nécessaires à la séparation d’un