La Separation

L E PROCESS PROCESS LA SÉ SÉPARATION PARATION

MANUEL DE FORMATION FORMATION COURS EXP-PR-PR070 Révision 0.1

Exploration et Production Le Process La Séparation

LE PROCE PROCESS SS LA SÉP SÉPARATION ARATION SOMMAIRE 1. OBJECTIFS .......... ...................... ....................... ....................... ....................... ....................... ....................... ....................... ....................... ....................... ...............6 ...6 2. LES FONCTIONS DE LA SEPARATION................... SEPARATION.............................. ....................... ....................... ....................... ....................7 ........7 2.1. INTRODUCTION....................... INTRODUCTION................................... ........................ ....................... ....................... ........................ ....................... .....................7 ..........7 2.2. POURQUOI TRAITE-T-ON L’EFFLUENT?..................... L’EFFLUENT?................................. ....................... ....................... ...................8 .......8 2.3. DÉFINITIONS D’UN SÉPARATEUR.................. SÉPARATEUR............................. ....................... ....................... ....................... ...................11 .......11 2.4. LE PRODUIT FINI .......... ...................... ....................... ....................... ....................... ....................... ....................... ....................... ....................12 ........12 2.4.1. RAPPELS DE BASE.......................... BASE..................................... ...................... ...................... ....................... ....................... ..................12 .......12 2.4.1.1. Densité............ Densité ....................... ....................... ....................... ....................... ....................... ....................... ....................... ......................12 ...........12 2.4.1.2. Point d'écoulement.......................... d'écoulement...................................... ....................... ...................... ....................... ....................... .............13 ..13 2.4.1.3. Viscosité........................... Viscosité...................................... ....................... ....................... ....................... ....................... ....................... .................13 .....13 2.4.1.4. Définition de la tension de vapeur (TVP).......... (TVP) ...................... ....................... ...................... ...................14 ........14 2.4.1.5. Définition de la tension de vapeur REID (TVR ou RVP).............................14 RVP).............................14 2.4.2. Caractérisation du produit............................. produit......................................... ....................... ...................... ...................... ..................15 .......15 2.4.3. Évolution de l'effluent........................... l'effluent...................................... ....................... ....................... ....................... ....................... ...............19 ....19 2.4.4. Les spécifications du produit.................. produit............................. ....................... ....................... ....................... ....................... .............21 ..21 2.4.4.1. Spécification Spécification en H 2S........................ S................................... ....................... ....................... ....................... ....................... .............23 ..23 2.4.4.2. Teneur Teneur en eau et et en sel acceptaple acceptaple pour le transport transport .......... ..................... .....................23 ..........23 2.4.4.3. Teneur en eau et sel « Raffinage » ............ ....................... ....................... ....................... ....................... ..............24 ..24 2.5. L’IMPORTANCE DE LA SEPARATION .......... ..................... ....................... ....................... ...................... ......................25 ...........25 2.6. EXEMPLE D’UN SEPARATEUR................ SEPARATEUR........................... ....................... ....................... ....................... ....................... ...............26 ....26 2.7. EXERCICES ........... ....................... ....................... ....................... ....................... ....................... ....................... ....................... ....................... ...............27 ....27 3. FONCTIONNEMENT DE LA SEPARATION..................... SEPARATION................................. ....................... ...................... ......................31 ...........31 3.1. INTRODUCTION....................... INTRODUCTION.................................. ....................... ....................... ....................... ....................... ....................... .....................31 .........31 3.2. LES SECTIONS ............ ....................... ....................... ....................... ....................... ....................... ....................... ....................... .....................34 ..........34 3.2.1. La section de la séparation primaire ........... ...................... ...................... ...................... ...................... .....................34 ..........34 3.2.2. La section de la l a séparation secondaire ............ ....................... ....................... ....................... ....................... ..............35 ..35 3.2.3. La section de coalescence ........... ....................... ....................... ...................... ....................... ....................... ......................35 ...........35 3.2.4. La section de collecte ........... ...................... ....................... ....................... ....................... ....................... ....................... ...................36 .......36 3.3. LES PROCESSUS .......... ..................... ....................... ....................... ...................... ...................... ....................... ....................... ....................37 .........37 3.3.1. Processus d’évolution des hydrocarbures en exploitation ........... ..................... .....................37 ...........37 3.3.2. Processus éclair ou flash flash.......... ...................... ....................... ....................... ....................... ....................... ....................... ..............39 ...39 3.3.3. Processus différentiel ............ ....................... ...................... ...................... ....................... ....................... ...................... ...................40 ........40 3.3.4. Processus composite...................... composite................................. ....................... ....................... ....................... ....................... ....................41 .........41 3.3.5. Comparaison entre les processus éclair et différentiel .......... ..................... ...................... ................43 .....43 3.4. APPLICATION A LA SEPARATION SUR CHAMPS ........... ...................... ...................... ...................... ..............44 ...44 3.4.1. Application ........... ...................... ....................... ....................... ....................... ....................... ....................... ....................... ....................... .............44 .44 3.4.2. Exemple d’application..................... d’application................................ ....................... ....................... ...................... ...................... .....................46 ..........46 3.4.2.1. Données........................... Données...................................... ....................... ....................... ....................... ....................... ....................... .................46 .....46 3.4.2.2. Optimisation ............ ....................... ....................... ....................... ....................... ....................... ....................... ....................... ..............47 ...47 3.4.2.3. Choix du nombre d'étages ............ ....................... ....................... ....................... ....................... ....................... ...............50 ....50 Support de Formation: EXP-PR-PR070-FR Dernière Révision: 13/04/2007

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LE PROCE PROCESS SS LA SÉP SÉPARATION ARATION SOMMAIRE 1. OBJECTIFS .......... ...................... ....................... ....................... ....................... ....................... ....................... ....................... ....................... ....................... ...............6 ...6 2. LES FONCTIONS DE LA SEPARATION................... SEPARATION.............................. ....................... ....................... ....................... ....................7 ........7 2.1. INTRODUCTION....................... INTRODUCTION................................... ........................ ....................... ....................... ........................ ....................... .....................7 ..........7 2.2. POURQUOI TRAITE-T-ON L’EFFLUENT?..................... L’EFFLUENT?................................. ....................... ....................... ...................8 .......8 2.3. DÉFINITIONS D’UN SÉPARATEUR.................. SÉPARATEUR............................. ....................... ....................... ....................... ...................11 .......11 2.4. LE PRODUIT FINI .......... ...................... ....................... ....................... ....................... ....................... ....................... ....................... ....................12 ........12 2.4.1. RAPPELS DE BASE.......................... BASE..................................... ...................... ...................... ....................... ....................... ..................12 .......12 2.4.1.1. Densité............ Densité ....................... ....................... ....................... ....................... ....................... ....................... ....................... ......................12 ...........12 2.4.1.2. Point d'écoulement.......................... d'écoulement...................................... ....................... ...................... ....................... ....................... .............13 ..13 2.4.1.3. Viscosité........................... Viscosité...................................... ....................... ....................... ....................... ....................... ....................... .................13 .....13 2.4.1.4. Définition de la tension de vapeur (TVP).......... (TVP) ...................... ....................... ...................... ...................14 ........14 2.4.1.5. Définition de la tension de vapeur REID (TVR ou RVP).............................14 RVP).............................14 2.4.2. Caractérisation du produit............................. produit......................................... ....................... ...................... ...................... ..................15 .......15 2.4.3. Évolution de l'effluent........................... l'effluent...................................... ....................... ....................... ....................... ....................... ...............19 ....19 2.4.4. Les spécifications du produit.................. produit............................. ....................... ....................... ....................... ....................... .............21 ..21 2.4.4.1. Spécification Spécification en H 2S........................ S................................... ....................... ....................... ....................... ....................... .............23 ..23 2.4.4.2. Teneur Teneur en eau et et en sel acceptaple acceptaple pour le transport transport .......... ..................... .....................23 ..........23 2.4.4.3. Teneur en eau et sel « Raffinage » ............ ....................... ....................... ....................... ....................... ..............24 ..24 2.5. L’IMPORTANCE DE LA SEPARATION .......... ..................... ....................... ....................... ...................... ......................25 ...........25 2.6. EXEMPLE D’UN SEPARATEUR................ SEPARATEUR........................... ....................... ....................... ....................... ....................... ...............26 ....26 2.7. EXERCICES ........... ....................... ....................... ....................... ....................... ....................... ....................... ....................... ....................... ...............27 ....27 3. FONCTIONNEMENT DE LA SEPARATION..................... SEPARATION................................. ....................... ...................... ......................31 ...........31 3.1. INTRODUCTION....................... INTRODUCTION.................................. ....................... ....................... ....................... ....................... ....................... .....................31 .........31 3.2. LES SECTIONS ............ ....................... ....................... ....................... ....................... ....................... ....................... ....................... .....................34 ..........34 3.2.1. La section de la séparation primaire ........... ...................... ...................... ...................... ...................... .....................34 ..........34 3.2.2. La section de la l a séparation secondaire ............ ....................... ....................... ....................... ....................... ..............35 ..35 3.2.3. La section de coalescence ........... ....................... ....................... ...................... ....................... ....................... ......................35 ...........35 3.2.4. La section de collecte ........... ...................... ....................... ....................... ....................... ....................... ....................... ...................36 .......36 3.3. LES PROCESSUS .......... ..................... ....................... ....................... ...................... ...................... ....................... ....................... ....................37 .........37 3.3.1. Processus d’évolution des hydrocarbures en exploitation ........... ..................... .....................37 ...........37 3.3.2. Processus éclair ou flash flash.......... ...................... ....................... ....................... ....................... ....................... ....................... ..............39 ...39 3.3.3. Processus différentiel ............ ....................... ...................... ...................... ....................... ....................... ...................... ...................40 ........40 3.3.4. Processus composite...................... composite................................. ....................... ....................... ....................... ....................... ....................41 .........41 3.3.5. Comparaison entre les processus éclair et différentiel .......... ..................... ...................... ................43 .....43 3.4. APPLICATION A LA SEPARATION SUR CHAMPS ........... ...................... ...................... ...................... ..............44 ...44 3.4.1. Application ........... ...................... ....................... ....................... ....................... ....................... ....................... ....................... ....................... .............44 .44 3.4.2. Exemple d’application..................... d’application................................ ....................... ....................... ...................... ...................... .....................46 ..........46 3.4.2.1. Données........................... Données...................................... ....................... ....................... ....................... ....................... ....................... .................46 .....46 3.4.2.2. Optimisation ............ ....................... ....................... ....................... ....................... ....................... ....................... ....................... ..............47 ...47 3.4.2.3. Choix du nombre d'étages ............ ....................... ....................... ....................... ....................... ....................... ...............50 ....50 Support de Formation: EXP-PR-PR070-FR Dernière Révision: 13/04/2007

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3.5. INFLUENCE DES PRESSIONS ET TEMPERATURES................. TEMPERATURES............................ ...................... ..............51 ...51 3.5.1. Exemple d’Ashtart (Tunisie).............................. (Tunisie).......................................... ....................... ...................... ....................... ..............51 ..51 3.5.2. Exemple de Breme (Gabon) ............ ....................... ....................... ....................... ....................... ....................... ...................52 ........52 3.6. EXERCICES ........... ....................... ....................... ....................... ....................... ....................... ....................... ....................... ....................... ...............54 ....54 4. LES DIFFERENTS PROCEDES DE SEPARATION .......... ..................... ...................... ...................... .....................57 ..........57 4.1. SÉPARATEUR HORIZONTAL............ HORIZONTAL ....................... ...................... ....................... ....................... ...................... ...................... ............57 .57 4.1.1. Séparateur horizontal deux phases .......... ...................... ....................... ...................... ...................... ......................58 ...........58 4.1.2. Séparateur horizontal trois phases ........... ....................... ....................... ....................... ....................... .....................59 ..........59 4.1.3. Séparateur horizontal horizontal haute pression avec capacité de rétention liquide........ liquide .........62 .62 4.2. SÉPARATEUR VERTICAL ........... ...................... ...................... ....................... ....................... ...................... ...................... ..................64 .......64 4.2.1. Séparateur vertical deux phases ........... ...................... ....................... ....................... ...................... ....................... ..............65 ..65 4.2.2. Séparateur Tri Phasique........... Phasique ....................... ....................... ....................... ....................... ....................... ....................... ..............67 ...67 4.3. SEPARATEUR SPHERIQUE............ SPHERIQUE ....................... ...................... ...................... ....................... ....................... ...................... ..............68 ...68 4.4. SEPARATEUR A GOUTTIERES POUR LE TRAITEMENT DES MOUSSES.........69 4.5. RESERVOIRS DE DECANTATION DECANTATION ET WASH TANKS (Bacs de lavage) .......... ..............71 ....71 4.6. FWKO (Free Water Knock Out)..................... Out)................................ ...................... ....................... ....................... ...................... .............72 ..72 4.7. SÉPARATEUR « CENTRIFUGE ».................... »................................ ....................... ....................... ....................... ...................73 ........73 4.7.1. Séparateur à effet Cyclonique ........... ...................... ...................... ...................... ....................... ....................... ..................73 .......73 4.7.2. Séparateur à effet Vortex......................... Vortex.................................... ...................... ....................... ....................... ...................... ............76 .76 4.8. ÉLIMINATEURS DE GOUTTELETTES (« DEMISTERS ») ........... ...................... ...................... ..............76 ...76 4.9. LE SLUG CATCHER.............................. CATCHER.......................................... ....................... ....................... ....................... ....................... ...................77 .......77 4.10. AUTRES TYPES TYPES DE PROCEDES DE SEPARATION SEPARATION SECONDAIRE ......... .................77 ........77 4.10.1. Déshydrateurs électrostatiques électrostatiques ........... ...................... ....................... ....................... ...................... ....................... ..............77 ..77 4.11. Treater Heaters ............ ....................... ...................... ....................... ....................... ....................... ....................... ....................... .....................78 .........78 4.12. AVANTAGES ET INCONVENIENTS DES DIFFERENTS TYPES ........... ..................... .............79 ...79 4.12.1. Séparateur triphasique, FWKO.............................. FWKO......................................... ...................... ....................... ...................79 .......79 4.12.2. Bacs ou Citernes de traitement batch............ batch. ...................... ...................... ...................... ...................... ................79 .....79 4.12.3. Wash-tank ou bac de décantation continue........... continue. ..................... ...................... ....................... ...................80 .......80 4.12.4. Treater-heater.................. Treater-heater............................. ...................... ....................... ....................... ...................... ...................... .......................81 ............81 4.12.5. Deshydrateur électrostatiques. électrostatiques. ........... ...................... ....................... ....................... ...................... ....................... ..............81 ..81 4.12.6. Sommaire des avantages et inconvénients ........... ....................... ....................... ....................... ..................83 ......83 4.13. EXERCICES .......... ...................... ....................... ....................... ....................... ....................... ....................... ....................... ....................... ..............84 ...84 5. REPRESENTATION ET DONNEES DES SEPARATEURS.................... SEPARATEURS.............................. ..................... ............85 .85 5.1. PLAN DE CIRCULATION DES FLUIDES (PCF/PFD).......................... (PCF/PFD)..................................... ...................85 ........85 5.2. PLOT PLAN ........... ...................... ....................... ....................... ....................... ....................... ....................... ....................... ....................... .................88 .....88 5.3. PIPING & INSTRUMENTATION DIAGRAM (PID) .......... ..................... ....................... ....................... .................90 ......90 5.4. DATA SHEET D’UN SÉPARATEUR.......... SÉPARATEUR ...................... ....................... ....................... ....................... ....................... ...............92 ...92 5.4.1. Scrubber d’aspiration compresseur .......... ..................... ...................... ....................... ....................... ......................92 ...........92 5.4.2. Slug catcher............................ catcher....................................... ....................... ....................... ....................... ....................... ....................... .................93 .....93 5.5. DIMENSIONNEMENT D’UN SEPARATEUR ........... ...................... ...................... ...................... ...................... ..............94 ...94 5.5.1. Exemple typique ........... ....................... ....................... ...................... ...................... ....................... ....................... ...................... ................94 .....94 5.5.2. Dimensionnement................ Dimensionnement........................... ...................... ....................... ....................... ...................... ...................... .....................97 ..........97 5.5.2.1. Séparateur vertical .......... ..................... ....................... ....................... ...................... ...................... ....................... ...................97 .......97 5.5.2.2. Séparateur horizontal............ horizontal ....................... ...................... ...................... ....................... ....................... ...................... .............99 ..99 5.6. EXERCICES ........... ....................... ....................... ....................... ....................... ....................... ....................... ....................... ....................... .............101 ..101 6. LES SEPARATEURS ET LE PROCESS.......... PROCESS ...................... ....................... ....................... ....................... ....................... .............102 .102 6.1. LOCALISATION ET CRITICITE ........... ....................... ....................... ...................... ....................... ....................... ...................102 ........102 6.2. PROCESS ASSOCIES ........... ...................... ....................... ....................... ....................... ....................... ....................... .....................104 .........104 Support de Formation: EXP-PR-PR070-FR Dernière Révision: 13/04/2007

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6.2.1. Les produits chimiques ...................................................................................104 6.2.1.1. Les floculants ...........................................................................................104 6.2.1.2. Les coalescents .......................................................................................105 6.2.1.3. Les mouillants ..........................................................................................105 6.2.2. Utilisation des produits chimiques...................................................................105 6.3. EXERCICES .........................................................................................................107 7. LES AUXILIAIRES.......................................................................................................108 7.1. DISPOSITIFS DE CONTRÔLE DE NIVEAU .........................................................108 7.2. DISPOSITIFS DE CONTRÔLE DE PRESSION....................................................109 7.3. DISPOSITIFS DE CONTRÔLE DE TEMPERATURE ...........................................111 7.4. VANNES ...............................................................................................................111 7.5. DEBITMETRES.....................................................................................................112 7.6. EXERCICES .........................................................................................................113 8. PARAMETRES DE FONCTIONNEMENT ...................................................................114 8.1. NORMAL OPERATING.........................................................................................114 8.1.1. Les paramètres de séparation ........................................................................114 8.1.2. Les contrôles à faire .......................................................................................115 8.1.3. Positionnement des vannes en marche normale ............................................115 8.1.3.1. Vannes de sécurité ..................................................................................115 8.1.3.2. Vannes de régulation ...............................................................................115 8.2. SECU OPERATING ..............................................................................................116 8.2.1. Alarmes et sécurités .......................................................................................117 8.2.2. Positionnement des vannes en ESD-1 ...........................................................118 8.2.2.1. Vannes de sécurité : ................................................................................118 8.2.2.2. Vannes de régulation : .............................................................................118 8.3. CAPACITES MAXI / MINI......................................................................................118 8.4. EXERCICES .........................................................................................................120 9. CONDUITE DE LA SEPARATION...............................................................................121 9.1. MISE EN SERVICE ET ARRÊT D’UN SÉPARATEUR .........................................121 9.1.1. Mise en service d’un Séparateur ....................................................................121 9.1.2. Arrêt d’un séparateur ......................................................................................122 9.2. MISE A DISPOSITION..........................................................................................122 9.3. MAINTENANCE 1er DEGRE .................................................................................123 9.4. EXERCICES .........................................................................................................124 10. TROUBLESHOOTING...............................................................................................125 10.1. LES EMULSIONS ...............................................................................................125 10.1.1. Qu’est ce qu’une émulsion............................................................................125 10.1.2. Origines des émulsions ................................................................................125 10.1.3. Comment séparer .........................................................................................126 10.1.4. Floculation - coalescence .............................................................................127 10.2. LE MOUSSAGE ..................................................................................................128 10.2.1. Qu’est ce qu’est le moussage ? ....................................................................128 10.2.2. Le traitement des mousses...........................................................................130 10.2.2.1. La tranquillisation ...................................................................................130 10.2.2.2. Le traitement chimique...........................................................................130 10.2.2.3. Les « DIXON Plates » ............................................................................131 10.2.2.4. Le lavage en bain chaud ........................................................................131 10.3. RETOUR D’EXPERIENCE..................................................................................132 Support de Formation: EXP-PR-PR070-FR Dernière Révision: 13/04/2007

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10.4. EXERCICES .......................................................................................................133 11. GLOSSAIRE ..............................................................................................................134 12. SOMMAIRE DES FIGURES ......................................................................................135 13. SOMMAIRE DES TABLES ........................................................................................138 14. CORRIGÉ DES EXERCICES ....................................................................................139

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1. OBJECTIFS


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2. LES FONCTIONS DE LA SEPARATION 2.1. INTRODUCTION

Figure 1 : Situation de la séparation dans un traitement d’huile

Dans le cas le plus général, le pétrole brut, en sortie de puits, est un mélange tri phasique comprenant : Une phase gazeuse Une phase liquide hydrocarburée (le brut proprement dit) Une phase aqueuse (l’eau de formation) Cet effluent peut également véhiculer des particules solides en suspension comme des sables provenant de la formation, des produits de corrosion, des composants paraffiniques ou asphaltiques ayant précipité.

Figure 2 : Exemple d’un séparateur


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Ce brut effluent puits ne peut être commercialisé en l’état. Il est nécessaire de lui faire subir un traitement pour le rendre conforme aux spécifications de vente requise par le client. Ce traitement peut comprendre plusieurs procédés à mettre en œuvre pour la mise aux spécifications du brut. Le séparateur est l’appareil utilisé pour faire la séparation donc dissocier le pétrole, les gaz et l’eau contenus dans l’effluent à sa sortie d’un puits de production en agissant sur leur densité.

2.2. POURQUOI POURQUOI TRAITE-T-ON TRAITE-T-ON L’EFFL L ’EFFLUENT? UENT?

Figure 3 : Schéma général du traitement des effluents de puits

Pour des raisons techniques : o

o

Produits stables stables (spécification de tension de vapeur à respecter ; pour cela on doit stabiliser le brut) Produits mesurables mesurables (c’est à dire qu’on peut le compter, sans eau, sans sédiments, sans gaz gaz afin de connaître exactement exactement les quantités vendues) vendues)


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Exploration et Production Le Process La Séparation o

o

Produits pom pables pables (il faut véhiculer le brut du terminal au pétrolier, et du pétrolier à la raffinerie) Produits non incrustants (c’est à dire que ces produits n’ont pas la propriété de recouvrir les corps, les tuyaux les citernes d’une couche minérale par exemple dépôts de sulfates carbonatés etc…)

Pour des raisons commerciales : o

o

Produits anhydres anhydres (les clients ne veulent pas transporter de l’eau) Produits Produits non corrosifs (protection du pétrolier, des raffineries et des clients : sels – H 2S)

Pour assurer : o

o

Le transport en toute sécurité (ça veut dire éviter tous les risques de monter en pression pression dans les pétroliers avec les risques d’explosion qui peuvent en découler) La fournit ure régulière des hydrocarbures produits (bien traiter par exemple, les moussages, les émulsions pour éviter l’arrêt de la chaîne de traitement)

Pour rejeter dans le milieu mili eu environnant, sans pollution, les constituants sans valeur commerciale : Exemple: les eaux de production n’ont aucune valeur, donc rejetables, à condition de les traiter afin de préserver l’environnement.

Comme nous venons de le voir, voir, la stabilisation du brut produit produit par un gisement consiste à satisfaire certaines spécifications, notamment en RVP (Reid Vapor Pressure ou Tension de Vapeur Reid en français) français) et une spécification en H2S si le brut en contient en en quantité notable. La spécification de RVP (Reid Vapor Pressure) est liée à la teneur en gaz dissous dans le brut. Plus la teneur en gaz dissous augmente, plus la RVP du brut va croître. Pour satisfaire une RVP, il faut mettre en oeuvre un procédé qui va permettre, au moindre coût, de libérer le gaz dissous dans le brut sortie puits. Le moyen le plus simple pour stabiliser un brut est de lui faire subir un certain nombre de séparations à des pressions décroissantes (séparation multi étagée) et de séparer le gaz obtenu à chacun des étages de séparation. Ce procédé ne peut s’envisager que sur des gisements éruptifs et dont la pression de tête de puits est supérieure à la pression atmosphérique. Souvent cette simple séparation physique n’est pas suffisante. Il faut alors prévoir un traitement additionnel qui peut consister en un chauffage du brut pour améliorer le Support de Formation: EXP-PR-PR070-FR Dernière Révision: 13/04/2007

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dégazage ; ce chauffage peut être accompagné d’une distillation pour limiter les pertes en constituants « semi légers » ou « semi lourd » comme les C 5, voire les C6 dans la phase gaz extraite du but. En ce qui concerne l’H2S, si elle s’avère nécessaire, la simple séparation multi étagée ne sera dans la majorité des cas pas suffisante. Un « stripping » (revaporisation généralement à la vapeur d'eau, des fraction pétrolières pour en réduire la teneur en produits trop volatils) du brut pourra être installé en plus de la séparation. Dans ce cours, nous nous intéresserons au procédé qu’est la séparation. Ce procédé est l’un des plus important et souvent le plus utilisé dans une usine. Dans les chapitres qui suivent nous apprendrons ce que fait un séparateur, quelles sont les différentes parties qu’il utilise pour réaliser ce travail, et comment ces internes travaillent ensemble. Vous apprendrez aussi quelles substances peuvent être séparées et pourquoi elles doivent l’être les unes des autres.

Figure 4 : Principe de la séparation


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2.3. DÉFINITIONS D’UN SÉPARATEUR Les séparateurs sont placés en tête de la chaîne de traitement dont ils constituent les éléments essentiels. Ils reçoivent directement du manifold d’entrée la production amenée par les collectes. Un séparateur est une capacité sous pression, incorporée à un circuit, sur lequel elle provoque un ralentissement de la vitesse d’écoulement de l’effluent. Un séparateur se présente comme un réservoir cylindrique disposé soit verticalement, soit horizontalement. Il existe aussi des séparateurs sphériques, mais ils sont d’un usage moins courant. Des piquages pourvus de vannes et des appareils de mesure permettent le contrôle du fonctionnement. Selon l’usage auquel on les destine, on distingue : Les séparateurs de détente utilisés pour le traitement des gaz à condensat. Les séparateurs gaz / huile. Les séparateurs d’eau libre. Les scrubbers (ex : ballon de torche) et filtres


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2.4. LE PRODUIT FINI C'est un mélange d'hydrocarbures et de non hydrocarbures provenant d'un gisement. L'effluent est caractérisé par sa composition et par des caractéristiques physicochimiques. Celles-ci évoluent dans le temps, et sont très variables suivant les bruts. L'effluent d'un puits en production est un mélange qui se présente le plus souvent sous forme diphasique : Une phase liquide constituée par des hydrocarbures lourds, stables dans les conditions de traitement, des hydrocarbures légers vaporisables et de l'eau de gisement. Une phase gazeuse formée de gaz et de vapeurs d'hydrocarbures légers.

2.4.1. RAPPELS DE BASE 2.4.1.1. Densité Pour l'huile Densité =

Masse dans le vide d ' un certain volume de produit à t Masse dans le vide d ' un certain volume d ' eau à t '

Ainsi pour les exportations de produits : t = 15° C t’ = 4° C on note la densité d

15 4

Masse volumique de l'eau dans le vide à 4° C = 999.972 kg/m³. Pour l e gaz Densité =

Masse volumique du gaz Masse volumique de l ' air

dans les mêmes conditions Pour l'air sec Support de Formation: EXP-PR-PR070-FR Dernière Révision: 13/04/2007

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masse moléculaire :

28.966 g/mol,

masse volumique

1.2929 g/l,

:

volume moléculaire :

22.40 l/mol (0°C - 1 bar).

2.4.1.2. Point d'écoulement

On refroidit le brut lentement et sans agitation. Le liquide finit par prendre en masse et ne s'écoule pas quand on maintient l'éprouvette horizontale. C'est le point de figeage. Si après refroidissement prolongée du produit, on le réchauffe, la température à laquelle il redevient fluide s'appelle le point d'écoulement. Ce point d'écoulement est supérieur de quelques degrés au point de figeage. En pratique, la mesure du point de figeage est effectuée et l'on prend : Pécoulement = Pfigeage + 3° C 2.4.1.3. Viscosité

La viscosité est une grandeur physique qui mesure la résistance interne à l'écoulement d'un fluide, résistance due au frottement des molécules qui glissent l'une contre l'autre. La viscosité dynamique (ou absolue) mu s'exprime souvent en poises ou centipoises(cPo). Cependant l’unité légale de viscosité dynamique est le Pa.s. Le sous multiple pratique est le mPa.s qui vaut 1 cPo La viscosité cinématique est le rapport de la viscosité dynamique à la masse volumique mesurée à la même température.

Elle s'exprimait en stokes (système d'unité C.G.S.) ou en centistokes. Selon le système internationnal(S.I.), l’unité de viscosité cinématique est le m 2.s-1 et son sous multiple pratique est le mm2.s-1. v=

ρ µ = cpo = g/cm.s ρ = kg / m³ ou g/dm 3 ou encore g/l

v = csto Support de Formation: EXP-PR-PR070-FR Dernière Révision: 13/04/2007

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La mesure de la viscosité cinématique est effectuée par mesure du temps t d'écoulement du produit entre deux traits repères d'un tube capillaire calibré. Mais bien souvent, on se contente d'utiliser des viscosimètres empiriques (temps d'écoulement d'une quantité standard de produit à travers un orifice calibré) étalonnés. Remarque :

Les Allemands utilisent le viscosimètre ENGLER, les Anglais le REDWOOD, qui sont basés sur le même principe. La viscosité s'exprime en degrés ENGLER ou secondes REDWOOD. La tendance actuelle est d'exprimer la viscosité cinématique en centistokes. La viscosité est un critère important pour apprécier les qualités de pompabilité des produits et le type d'écoulement dans les canalisations.

2.4.1.4. Définition de la tension de vapeur (TVP)

La tension de vapeur d’un brut ou « True Vapour Pressure » (TVP) aux conditions de stockage (pression atmosphérique et température ambiante) est difficile à mesurer rapidement : elle nécessite un matériel de laboratoire. Elle caractérise pourtant la qualité de stabilité du brut et donc son potentiel de dégazage. Une tension de vapeur trop élevée du brut provoquera donc des risques au niveau de son stockage et de son transport (dans le cas d’un transport autre que oléoduc). 2.4.1.5. Définition de la tension de vapeur REID (TVR ou RVP)

On a substitué à la TVP une grandeur facilement mesurable pour peu que l’on puisse avoir accès à une prise d’échantillons du brut, ce qui est toujours possible sur le site de production et même sur un bateau transporteur ou même en raffinerie. Cette grandeur est la tension de vapeur REID (TVR) ou REID Vapour Pressure (RVP). La RVP d’un pétrole brut est toujours mesurée à 100 °F (37.8 °C) Figure 5 : Appareil de mesure de la RVP


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L’appareil de mesure de la RVP (Figure 16) comprend 2 chambres ; l’une (1/3 du volume total des 2 chambres) recevant le brut collecté à la prise d’échantillon ou est connecté l’appareil et l’autre (2/3 du volume total des 2 chambres) remplie d’air. Une fois l’opération de collecte effectuée, on ouvre le robinet qui permet de faire communiquer les 2 chambres entre elles ; on secoue fortement l’ensemble et on le place à une température de 100 °F. On lit alors la pression indiquée sur le manomètre connecté à l’appareil ; la pression lue est la RVP. La RVP est une pression effective et s’exprime ordinairement en PSI (« pounds per square inch » qui est l’unité de mesure de pression anglo-américaine) La spécification en RVP d’un pétrole brut est fonction des conditions climatiques du site de production (pour le stockage du brut) et de la route suivie par le bateau transporteur (dans le cas d’un transport maritime) vers le marché consommateur. En général, la RVP se situe entre 7 et 10 psi.

2.4.2. Caractérisation du produit Il est caractérisé : Par sa com positi on en éléments hydrocarbures C n H2n+2 et de composés non hydrocarbures tels que :

H2S N2 H2

En % molaire par exemple

CO2 Sel Eau

Dans l’huile, dans l’eau

Sédiments - on note BSW =


Volume (eau + sédiments) Volume (huile + eau + sédiments)

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Par les caractéristiques suivantes :

densité, point d'écoulement, viscosité, tendance à l'émulsion avec l'eau. Exemple : Caractéristi ques de l’efflu ent de ROSPO MARE Composition (%) :

N2

1,927

CO2

0,428

H2S

présence

RHS

présence

C1

1,583

C2

0,774

C3

1,037

IC4

0,726

NC4

2,641

IC5

2,288

NC5

3,839

C6

10,021

C7+

74,736

masse molaire

544

masse spécifique

1 006 kg/m³)

GOR = 3 Sm³/m³ à 30° C et 1 bar abs,


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présence d'H2S et de mercaptans (environ 500 ppm d'H2S - 80 ppm RSH dosés sur le gaz séparateur), masse spécifique huile stockage (15° C) = 987 kg/m³, pression de bulle de l'effluent gisement = 11,8 bars abs à 70° C, viscosité de l'huile anhydre : 30° C

9 500 cst

55° C

980 cst

70° C

290 cst

comportement newtonien sauf aux fortes teneurs en eau. Autres caract éri stiques de l'huile st ockage :

point d'écoulement

:

+3° C

teneur en soufre total % poids

:

6 à 6,5

teneur en paraffines % poids

:

1,1

point de fusion des paraffines °C

:

38,5

teneur en asphaltènes % poids

:

15

teneur en carbonate Conradson % poids

:

20,5

teneur en cendres % poids

:

0,09

teneur en métaux ppm

:

o o

Nickel : Vanadium:

56 135

Eau de gi sement

masse spécifique

:

1 027 km/m3 à 15° C

teneur en sels (équivalent NaCL)

:

42 g/l

pH

:

7,2


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teneur en Na+

:

13,4 g/l

teneur en Ca++

:

2,5 g/l

teneur en K+

:

0,4 g/l

teneur en Mg++

:

0,36 g/l

teneur en C-

:

25,1 g/l

teneur en SO4- -

:

1,2 g/l

teneur en CO3H-

:

0,4 g/l

H2S

Des teneurs d'H2S dans le gaz plus élevées que ne l'indique la composition ci-dessus ont été mesurées sur RSMA à différents stades : Pression atmosphérique :

gaz de flash à 22° C

6 600 ppm

circuit de torche à 80° C

60 000 ppm

stockeur à 50° C

5 000 ppm.


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2.4.3. Évolution de l'effluent La présence d'eau dans le gisement explique la présence d'eau plus ou moins importante dans l'effluent. En général, la teneur en eau augmente avec le temps. On obtient par exemple les courbes ci-après. Un traitement adapté à cet effluent peut évoluer dans le temps.

Production 106 m 3 / an

Évolution d'un champ d'huile

3

Huile

2

BSW

GOR

%

1

GOR 1

2

30

300

20

200

10

100

BSW 3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

ans

Figure 6: Évolution d'un champ d'huile dans le temps


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An

Production liquide 106 m³/an

1

1,5

0

1,5

53

79,5

2

2,5

0

2,5

53

132,5

3

2,5

0

2,5

53

132,5

4

2,5

0

2,5

56

140,0

5

2,5

2

0,05

2,45

68

166,6

6

2,25

3

0,07

2,18

81

176,6

7

1,75

5

0,09

1,66

120

199,2

8

1,75

7

0,12

1,63

150

244,5

9

1,25

10

0,12

1,13

175

197,7

10

1,25

15

0,19

1,06

190

201,4

11

0,75

22

0,16

0,59

200

118,0

12

0,75

30

0,22

0,53

205

108,6

TOTAL

21,25

1,02

20,23

BSW %

Production eau 6 10 m³/an

Production huile 106 m³/an

GOR

Production gaz 6 10 m³/an

1897,1

Table 1: Evolution d'un champs d'huile dans le temps Support de Formation: EXP-PR-PR070-FR Dernière Révision: 13/04/2007

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2.4.4. Les spécifications du produ it Comme on a pu le voir précédemment, le problème consiste à séparer un effluent complexe en une phase gazeuse et une ou plusieurs phases liquides. Le rôle d’une unité de séparation, et donc du séparateur, est d’éliminer l’eau de gisement, de traiter l’huile pour qu’à pression atmosphérique il n’y ait pratiquement plus de dégagement gazeux, de libérer un gaz qui soit le plus sec possible. La figure ci-dessous schématise le trajet suivi par l’effluent entre le gisement et le centre de traitement

Figure 7 : Trajet suivi par l’effluent entre le gisement et le centre de traitement


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La Separation

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