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MX2012008727A - Aparato mejorado para dispensar un polimero soluble en agua. - Google Patents

Aparato mejorado para dispensar un polimero soluble en agua.

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Publication number
MX2012008727A
MX2012008727A MX2012008727A MX2012008727A MX2012008727A MX 2012008727 A MX2012008727 A MX 2012008727A MX 2012008727 A MX2012008727 A MX 2012008727A MX 2012008727 A MX2012008727 A MX 2012008727A MX 2012008727 A MX2012008727 A MX 2012008727A
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MX
Mexico
Prior art keywords
stator
rotor
blades
water
stainless steel
Prior art date
Application number
MX2012008727A
Other languages
English (en)
Inventor
Philippe Jeronimo
Emmanuel Pich
Original Assignee
Spcm Sa
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Spcm Sa filed Critical Spcm Sa
Publication of MX2012008727A publication Critical patent/MX2012008727A/es

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Abstract

Dispositivo para dispersar un polímero soluble en agua, que incluye un rotor equipado con cuchillas, un estator fijo, sobre toda la periferia de la cámara o parte de ella; un anillo alimentado por un circuito de agua secundaria, caracterizado porque las cuchillas del rotor y el estator están hechos de acero inoxidable austeno-ferrítico, y porque el estator tiene la forma de un cilindro, en cuya pared están cortadas ranuras verticales, producidas en parte de la altura de la pared; teniendo las ranuras una anchura de entre 150 y 700 micras.

Description

APARATO MEJORADO PARA DISPERSAR UN POLÍMERO SOLUBLE EN AGUA Antecedentes de la Invención Desde hace más de 60 años se han desarrollado las poliacrilamidas, específicamente para operaciones de floculación. Sin embargo, desde la crisis petrolera de 1973, se ha reconocido que las poliacrilamidas tienen una potencia de viscosificación muy considerable, que les permite ser usadas en la recuperación incrementada de petróleo, por sí mismas, o en combinación con agentes tensioactivos y álcalis.
También se ha notado que las poliacrilamidas tienen el poder de reducir la fricción en agua o en solución acuosa; una característica que significa que se pueden bombear volúmenes mayores de agua en el mismo equipo, añadiendo una cantidad pequeña (de 30 a 500 ppm) de polímero, o que se puede reducir la energía consumida para bombear esas mismas cantidades .
La reducción de la fricción fue descubierta por B. A. Toms en 1946 ("El efecto de Toms") y se han desarrollado sus usos en el campo de la transportación de agua o de suspensiones acuosas (mezcla de agua y aceite), en operaciones de fracturación y en diversos procesos de contacto con agua, que involucran gran consumo de energía (torpedos, contraincendios, recortes con chorro de agua, etc . ) .
Disolución de las Poliacrilamidas Si bien es posible usar las poliacrilamidas en forma de polvo para las operaciones de reducir la fricción, es relativamente difícil disolverlas. Para los polvos comunes y corrientes, con una distribución de tamaños de partícula por debajo de 1 mm, el tiempo de disolución es de alrededor de una hora, a una concentración de 5 gramos por litro. Por lo tanto, sería necesario, para usos significativos, tener disponible un equipo a gran escala, lo que requeriría al mismo tiempo lo siguiente: - Una inversión importante, - Un tiempo prolongado de puesta en servicio, - Un área de terreno incompatible con el movimiento del equipo.
Esta necesidad de tener una solución prácticamente instantánea (menos de 2 minutos, por ejemplo) , ha hecho que los usuarios se cambien al uso de poliacrilamidas en forma de emulsión, que sean capaces de disolverse, en las condiciones apropiadas, en menos de 2 minutos (ver la solicitud de patente FR 0955555) . Sin embargo, las exigencias ambientales, en particular en las operaciones de fracturacion hidráulica, están haciendo que las emulsiones que contienen hidrocarburos y agentes tensioactivo sean reemplazadas por polímeros en forma de polvo, que no contengan tales componentes.
El documento de la solicitante PCT EP2009/063961 describe un método de fracturacion hidráulica que emplea una pieza de equipo para disolver rápidamente un polímero en polvo, soluble en agua, conocida como unidad troceadora de polímero ("PSU", siglas de su designación en inglés: Polymer Slicing Unit); siendo descrito el equipo en el documento WO 2008/107492, también de la solicitante.
Al moler la poliacrilamida en una PSU de esta clase, es posible acortar el tiempo de disolución a alrededor de 15 minutos, a concentraciones de entre 10 y 20 gramos por litro. Además, la naturaleza compacta de la instalación le permite ser empleada en bastidores de camión móviles.
La PCU descrita en la solicitud de patente WO 2008/107492 es una pieza de equipo industrial que gira a una velocidad industrial baja (3,000 a 4,500 revoluciones por minuto) , ofreciendo de esa manera una longevidad considerable, especialmente en las operaciones petroleras o de fracturación .
La seguridad del equipo es un punto importante. Por ejemplo, el dejar de introducir polímeros en una operación de fracturación puede hacer que se bloquee el pozo de producción de gas, por la sedimentación de la arena usada.
Básicamente, la PSU comprende: - un cono para humectar el polímero en polvo, conectado con un circuito de entrada de agua primario; - una cámara para moler el polímero dispersado, que incluye un rotor asociado con un estator; - en la periferia de la cámara, un anillo alimentado por un circuito de agua secundario, que rocía agua a presión y desatasca las aspas del estator.
El estator comprende placas o aspas de carburo de tungsteno hechas a la medida, ensambladas por medio de separadores, sobre un anillo periférico.
Los documentos de patente US 6,000840, US 5,156,344 y FR 2777804 Al, describen un anillo de estator que comprende una pluralidad de aberturas. El anillo de estator de US 5,156,344 está rodeado por un restrictor que comprende la misma cantidad de aberturas que el anillo de estator principal. Se puede ajustar la posición de ese restrictor de manera que abra o cierre por completo las aberturas del anillo de estator. Ninguno de estos documentos menciona la anchura de las aberturas.
El rotor incluye placas de carburo de tungsteno unidas con pernos o con soldadura dura, a fin de reducir el desgaste y el desgarramiento durante estas operaciones.
Si bien este sistema es mecánicamente efectivo, tiene dos limitaciones, a saber: - es difícil llevar las placas del estator a menos de 500 mieras una de la otra, puesto que los separadores más delgados no tienen la resistencia mecánica requerida; el material de unión (cobalto o níquel) no tiene suficiente resistencia a la corrosión, en particular en la industria petrolera, donde las salmueras bombeadas contienen cantidades muy grandes de sales (hasta 200,000 ppm) y sulfuro de hidrógeno.
Sumario de la Invención El problema que la invención se propone resolver, por lo tanto, es el de mejorar la construcción de la PSU, con lo que se permite: una molienda más fina, con el uso prácticamente instantáneo de la solución de polímero, que la obtenida con las emulsiones; mayor resistencia a la corrosión; - al mismo tiempo, el mantenimiento de la vida de anaquel del estator y del rotor; - el uso del equipo para muchos polímeros, tales como la poliacrilamida, el óxido de polietileno de elevado peso molecular, la goma de xantano o el escleroglucano, la goma de guar, etc.
La solicitante ha notado que estos cuatro objetivos se satisfacían usando, para la fabricación del rotor y del estator, aceros inoxidables y, en particular, los aceros austeno-ferríticos denominados "súper dúplex", o aceros austeníticos que hayan sido endurecidos en la superficie (mediante nitridación al vacío, o kolsterización) y que tienen elevada resistencia mecánica y fuerte resistencia a la corrosión, en combinación con el uso, en el estator, no de aspas hechas a la medida, sino de hendiduras producidas directamente en un anillo.
Breve Descripción de las Figuras de la Invención Se aclararán más la invención y sus ventajas resultantes a partir de los siguientes ejemplos, apoyados por las figuras anexas .
La figura 1 es una vista esquemática lateral del dispositivo de la invención.
La figura 2 es una vista en sección, tomada siguiendo la línea A-A' .
La figura 3.1 es una vista del rotor del dispositivo de la invención, de acuerdo con una primera modalidad.
La figura 3.2 es una vista del rotor del dispositivo de la invención de acuerdo con una segunda modalidad.
La figura 4 es una vista del estator del dispositivo de la invención descrita en el documento WO 2008/107492.
La figura 5 es una vista del estator de acuerdo con el dispositivo de la invención.
Descripción detallada de la Invención En otras palabras, es el objetivo de la invención un dispositivo para dispensar un polímero soluble en agua, con una distribución de tamaños de partícula estándar de menos de 1 rara, que comprende: - un cono humectador, en el que se dosifica el polímero; estando conectado el cono con un circuito primario de entrada de agua; - en el extremo inferior del cono: o una cámara para moler y drenar el polímero dispersado, que comprende: ¦ un rotor, accionado por un motor y equipado con cuchillas opcionalmente inclinadas con respecto al radio del rotor; ¦ un estator; o sobre toda la parte de la periferia de la cámara, un anillo alimentado mediante un circuito secundario de agua; comunicando el anillo con la cámara para rociar agua a presión sobre el estator.
Se caracteriza el dispositivo por cuanto las cuchillas del rotor, al menos parcialmente, y el estator, están hechos de un acero inoxidable, seleccionado de entre los aceros austeno-ferríticos o austeníticos, y tratados con nitridación al vacío o difusión de carbono, y por cuanto el estator queda en la forma de un cilindro en la pared del cual están dispuestas ranuras o hendiduras verticales, producidas en parte de la altura de dicha pared; teniendo las ranuras una anchura mínima de 150 micrómetros y, ventajosamente, entre 150 y 700 micrómetros.
En una modalidad preferida, las ranuras tienen entre 10 y 50 mm de alto y están situadas equidistantes de los bordes superior e inferior del cilindro. Cuando está implicada una altura grande de la ranura, éstas se cortarán en 2, 3 o 4 partes .
De acuerdo con otra característica, las ranuras están espaciadas uniformemente una de las otras, a una distancia de entre 10 y 50 mm. En una modalidad particular, las paredes internas de las ranuras están inclinadas, de manera que se creen bordes cortantes en cada ranura.
De acuerdo con la invención, el rotor y el estator pueden estar hechos de diferentes materiales.
En una primera modalidad, están hechos de acero inoxidable austenítico, nitridado al vacío 304L o 316L, pero con regímenes de funcionamiento y de longevidad por debajo de los aceros austeno-ferríticos .
En una modalidad preferida, están hechos de acero austeno-ferrítico que contiene por lo menos 20 por ciento en peso de Cr y por lo menos 5 por ciento en peso de Ni.
Entre los aceros austeno-ferríticos se pueden distinguir los aceros denominados "dúplex" que contienen alrededor de 22 por ciento en peso de Cr y alrededor de 5 por ciento en peso de Ni, y los aceros denominados "súper dúplex" que contienen entre 24 y 26 por ciento en peso de Cr y de 6 a 8 por ciento en peso de Ni.
De acuerdo con una modalidad mejorada, se kolsterizan los aceros austeno-ferríticos; en otras palabras, se tratan mediante difusión de carbono, como se explica más adelante.
Ventajosamente, el acero austeno-ferritico seleccionado tiene una de las dos siguientes composiciones: Las propiedades mecánicas de estos aceros son bastante superiores a las de los aceros inoxidables 304L o 316L, y son como sigue: Rp 0.2 (MPA) 0.2% Resistencia a la deformación plástica (MPA) min.
Rm (MPA) Resistencia a la tracción (MPA) min.
A3 % de alargamiento min.
El carburo de tungsteno tiene características mecánicas superiores a las de las calidades súper dúplex; pero las de las calidades súper dúplex son suficientemente altas, con relación a la dureza del grano de poliacrilamida, para permitir una gran longevidad de los rotores y de los estatores .
Además, después de maquinar, los súper dúplex o los dúplex pueden ser tratados de manera que se incremente la dureza superficial mediante kolsterización, sobre un espesor de 20 a 30 mieras, sin dañar la resistencia a la corrosión y sin alterar la geometría de las partes, y alcanzar un Rm de más de 1000.
El tratamiento de kolsterización® es un método de modificación de la superficie de la estructura de los aceros inoxidables. Comprende difundir una cantidad grande de carbono desde la superficie hacia el núcleo del material, sin adición de elementos externos y sin fabricar carburo de cromo. Este tratamiento es aplicado en fase gaseosa y a baja temperatura, y se puede usar para tratar cualquier forma, incluyendo ranuras, tales como las de las PSU. Este tratamiento es efectivo hasta a temperaturas de 300 °C y valores de pH de más de 2. Este método permite resistencia a la fatiga y resistencia a la corrosión, la eliminación de aferramiento, regímenes muy altos de dureza, al mismo tiempo que se mantiene la ausencia de magnetismo.
Está bastante claro que el súper dúplex es el material más resistente; pero es posible, como ya se dijo aquí, usar aceros dúplex con 20 por ciento de cromo o aceros inoxidables 304L o 316L estándar nitridados al vacio; pero con desempeño inferior y menores tasas de longevidad.
Como ya se dijo aquí, es difícil la construcción de la PSU con espacios de placa de menos de 500 mieras; fue necesario usar otra tecnología para la molienda muy fina del polímero .
En cuanto al estator, se hizo una selección de usar un anillo o cilindro del mismo diámetro interno que la PSU, sobre el cual están cortadas ranuras con un corte de chorro de agua de última generación, capaz de formar ranuras con una anchura mínima de 150 mieras, con un chorro unitario, y de cualquier otra anchura, con un chorro doble. Este estator debe tener un alto nivel de rigidez y es ventajoso desde al menos 10 mm hasta 20 mm de espesor, de manera que no pierda la precisión del corte. Además, es posible, con un equipo de chorro de agua de alta precisión, formar cortes cónicos que permitan una mejor eyección del polímero molido.
En la práctica, se efectúa el corte usando una máquina cortadora con un chorro de agua a muy alta presión, que contenga un abrasivo, a una presión de entre 2,000 y 5,000 barias y, de preferencia, entre 3,000 y 4,000 barias.
Obviamente es posible un espesor menor; pero esto provoca distorsiones y fracturas en el término medio, en particular como una función de la erosión inevitable, provocada al moler el polímero.
También se pueden efectuar los cortes con láser; excepto sobre espesores pequeños; pero el efecto térmico crea distorsiones permanentes y parches rugosos en las ranuras así cortadas, lo que hace obligatorio el relleno de la parte, después del corte.
El número de ranuras en el estator varía de acuerdo con su diámetro. En la práctica, es de entre 50 y 300.
De acuerdo con una característica básica de la invención, las cuchillas del rotor están constituidas, al menos parcialmente, por acero inoxidable austeno-ferrítico o austenítico tratado al vacío o kolsterizado.
En una primera modalidad, el rotor comprende un portador en la superficie del cual están formadas las cuchillas mediante maquinado. En este caso, se forma el rotor, en su totalidad, de uno de los materiales mencionados más arriba.
En una segunda modalidad, el rotor comprende un portador maquinado, constituido por uno de los materiales previamente descritos aquí, a los que se añaden placas hechas de carburo de tungsteno o de acero inoxidable endurecido mediante tratamiento térmico.
En ambos casos, se puede aplicar el mantenimiento para recuperar las distancias de rotor-estator maquinando el interior del estator a un diámetro mayor. Por lo que respecta al rotor, es posible: * cambiar las placas para adaptarlas al nuevo diámetro; * o bien, soldar carga al rotor sólido, que se hace girar entonces para dar el diámetro de corte requerido.
Se equipa el rotor con entre 2 y 20 cuchillas y, ventajosamente, entre 4 y 12. No obstante, dependiendo del diámetro del rotor, puede variar el número de cuchillas. Como ejemplo, el número es de 9 para un diámetro de rotor de 200 mm.
Además, y de acuerdo con otra característica, las cuchillas pueden estar más o menos inclinadas, con relación al radio del rotor. Ventajosamente, esta inclinación es de entre 1 grado y 15 grados y, de preferencia, entre 2 grados y 10 grados.
Para permitir una molienda efectiva, la distancia que separa las cuchillas del rotor de las aspas del estator es de entre 50 y 300 mieras; y de preferencia, entre 100 y 200 mieras; en la práctica, alrededor de 100 mieras.
Obviamente, reducir la anchura de las ranuras reduce el flujo de salida de polvo y agua de cada artefacto, lo que se puede restablecer parcialmente incrementando la velocidad del rotor hasta el límite industrial de 4,500 revoluciones por minuto.
Como ya se mencionó aquí, el diseño del estator permite que se muela el polímero más finamente en comparación con el dispositivo descrito en el documento WO 2008/107492, en el que el espacio entre cada aspa hecha a la medida, en la práctica, no puede ser menor que 500 micrómetros, sin una reducción muy significativa en la longevidad del artefacto.
En otras palabras, es un objetivo adicional de la invención el uso del dispositivo de disolución de la invención en una instalación para la implementación de un método de fracturacion hidráulico de un pozo de petróleo o de gas, en la recuperación incrementada de petróleo, en la floculación, en la preparación de soluciones cosméticas o en productos de uso doméstico. Adicionalmente, es posible reducir significativamente el número de partes que se van a maquinar y la complejidad del ensamble.
Para todos estos métodos, incluso si la disolución no se completa a la inyección, puede ocurrir en unas cuantas decenas de segundos después de la inyección, ya sea directamente en la tubería o en la mezcla que se va a tratar .
De acuerdo con la figura 1, el dispositivo de la invención comprende: un cono (1) humectador, conectado en su parte superior a una columna (2) que dosifica el polímero con una distribución estándar de tamaños de partícula; más frecuentemente que por medio de un tornillo dosificador ; estando conectado el cono (1) , en su parte inferior, con un circuito (3) primario de entrada de agua, que alimenta un derrame ( 4 ) ; en el extremo inferior del cono, un ensamble (5) que comprende : o una cámara para moler y drenar (6) (figura 2) el polímero dispersado, que comprende: ¦ un rotor (7) accionado por un motor (8), equipado con cuchillas (9) ; " un estator (10) ; o sobre toda la periferia de la cámara, o parte de ella, un anillo (11) , alimentado mediante un circuito secundario de agua (12); comunicando el anillo (11) con la cámara (6) mediante ranuras (13) para rociar agua a presión sobre el estator (10) .
En la figura 3.1 se ha mostrado el rotor del dispositivo de la invención. La figura 3.1a es una vista despiezada del rotor denotado por el número de referencia general (7); mientras que la figura 3.1b es una vista de la parte terminada.
El rotor incluye un disco portador (14) mixto, resistente a la corrosión, en el que están maquinadas nueve cuchillas inclinadas (15), hechas de súper dúplex, con la siguiente composición: Las cuchillas (15) están protegidas mediante un buje (16) añadido a su parte superior.
En las figuras 3.2(a) y 3.2(b) se ha mostrado una construcción alternativa del rotor. Incluye un . portador (14) giratorio, maquinado, hecho de acero inoxidable (súper dúplex, 304, 316) al que están aseguradas placas (15-1) hechas de carburo de tungsteno o de acero inoxidable endurecido mediante tratamiento térmico.
En la figura 4, se ha mostrado el estator como se implementa en las PSU descritas en el documento WO 2008/107492, comercialmente disponible ahora. Como se muestra en la figura 4a, el estator (17) está equipado, además de los empaques (18), básicamente con cuatro elementos, que son, respectivamente: - un buje inferior (19); - un buje superior (20) ; - un anillo central (21) ranurado, que soporta las placas (22); - el estator propiamente dicho (23) , que consiste de aspas (24) hechas a la medida, formadas de carburo de tungsteno, separadas mediante separadores, maquinados en la parte (18) y no mostrados.
Los bujes (19) y (20) están asociados entre si de manera que, en combinación con la parte (21), las aspas (24) puedan mantenerse en su posición.
En la figura 5 se ha mostrado el estator de acuerdo con el de la invención. Ese estator, señalado por el número de referencia general (26) , comprende una sola parte de espesor igual a 10 mm, provista con ranuras (29) formadas con un chorro de agua unitario, a muy alta presión (3,000 a 4,000 barias) . La anchura de cada una de las ranuras es de 200 mieras. Como se muestra en la figura, las ranuras están distribuidas equidistantes desde los bordes superior e inferior del cilindro (28) . La distancia que separa cada ranura es de 300 mieras.
La parte (28) está hecha de acuerdo con la invención, de súper dúplex, con la siguiente composición: Todas las características dimensionales del rotor y del estator de la PSU de la técnica anterior, y de la PSU de la invención, así como las características de operación que permiten que el polímero se disuelva, están dadas en la siguiente tabla: TABLA 1 TABIA 1 (continuación) Por lo tanto, es incidentalmente posible, con dicho equipo, que los tanques de disolución normalmente requeridos para disolver las poliacrilamidas en forma de polvo, se eliminen y que el polímero sea inyectado directamente.
En particular, en operaciones de fracturación, se mezclan los polímeros en un mezclador durante un periodo comprendido entre 1 y 2 minutos, se las recoge mediante una bomba centrífuga para alimentar la bomba Triplex que inyecta la mezcla de fracturación. Los tiempos de mezclado son suficientes para permitir dicha operación en línea.
El tamaño de los artefactos que usan esta tecnología puede ser modular (100, 300, 600, 1,200 kg/hora) .
Obviamente, se puede usar este tipo de equipo: para polímeros con diferentes composiciones, tales como los óxidos de polietileno de elevado peso molecular, las gomas de xantano o el escleroglucano, las gomas de guar, etc. ; para otros usos, como la floculación con disolución en línea, la recuperación incrementada de petróleo, la formación de soluciones cosméticas o de productos de uso doméstico; - con polvos que tengan distribuciones de tamaños de partículas misceláneas, para prevenir que se formen en la dispersión ojos de pescado.

Claims (9)

REIVINDICACIONES
1. - Dispositivo para dispersar un polímero soluble en agua con una distribución de tamaños de partícula estándar por debajo de 1 mm, que comprende: - un cono humectador en el que se dosifica el polímero; estando conectado el cono a un circuito de entrada de agua primaria; - en el extremo inferior del cono: o una cámara para moler y drenar el polímero dispersado, que comprende: ¦ un rotor accionado por un motor y equipado con cuchillas inclinadas opcionalmente con respecto al radio del rotor; ¦ un estator fijo; o sobre toda la periferia de la cámara, o parte de ella, un anillo alimentado por un circuito de agua secundaria; comunicando el anillo con la cámara para asegurar que se rocíe el agua a presión sobre el estator; caracterizado porque las cuchillas del rotor, al menos parcialmente, y el estator, están hechos de un acero inoxidable, seleccionado de entre los aceros austeno-ferrítico o austenítico, y tratados por nitridación al vacío, o por medio de difusión de carbono; y porque el estator está en la forma de un cilindro en la pared del cual están cortadas ranuras verticales, hechas sobre parte de la altura de dicha pared; teniendo las ranuras una anchura de entre 150 y 700 micrómetros.
2. - Dispositivo de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque el estator está cortado con un chorro de agua a muy alta presión, que contiene un abrasivo, a una presión de entre 2,000 y 5,000 barias y, de preferencia, entre 3,000 y 4,000 barias.
3. - Dispositivo de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque el acero inoxidable austeno-ferritico contiene alrededor de 22 por ciento en peso de Cr y alrededor de 5 por ciento en peso de Ni.
4. - Dispositivo de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque el acero inoxidable austeno-ferritico tiene una de las siguientes composiciones:
5.- Dispositivo de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque las cuchillas del rotor y el estator están tratados adicionalmente mediante difusión de carbono desde la superficie hacia el núcleo del material.
6.- Dispositivo de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque el rotor comprende un portador en la superficie del cual están formadas las cuchillas mediante maquinado; estando hecha toda la unidad de dicho acero inoxidable .
7.- Dispositivo de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque el rotor comprende un portador maquinado, hecho de acero austeno-ferritico o austenítico, tratado mediante nitridación al vacio o por , difusión de carbono, al que están añadidas placas hechas de carburo de tungsteno o de acero inoxidable endurecido mediante tratamiento térmico.
8. - Dispositivo de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque las ranuras del estator están espaciadas uniformemente entre si, a una distancia de entre 10 y 50 mm.
9. - Dispositivo de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque la distancia que separa las cuchillas del rotor de las ranuras del estator es de entre 50 y 300 mieras y, de preferencia, entre 100 y 200 mieras; y en la práctica, alrededor de 100 mieras.
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