FR3037504A1 - Procede et installation de recuperation d'hydrocarbures utilisant des fumees industrielles riches en co2 - Google Patents

Procede et installation de recuperation d'hydrocarbures utilisant des fumees industrielles riches en co2 Download PDF

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LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
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Abstract

L'invention concerne un procédé de récupération d'hydrocarbures à partir d'un premier réservoir, ledit procédé comprenant les étapes suivantes : récupération de fumées industrielles contenant au moins 50 % de CO2 en volume, et de l'oxygène, lavage d'au moins une partie des fumées industrielles récupérées avec une première solution aqueuse pour enlever au moins une partie de l'oxygène contenu dans lesdites fumées industrielles et produire un gaz d'assistance riche en CO2 et appauvri en oxygène, ledit gaz d'assistance comprenant moins de 200 ppm d'oxygène en volume, injection d'au moins une partie du gaz d'assistance appauvri en oxygène dans le premier réservoir contenant les hydrocarbures.

Description

1 L'invention concerne un procédé de récupération d'hydrocarbures utilisant des fumées industrielles riches en dioxyde de carbone (CO2), notamment des fumées produites par un procédé d'oxycombustion, ainsi qu'une installation configurée pour mettre en oeuvre ledit procédé. L'invention s'applique en particulier aux chaudières à oxycombustion produisant de l'électricité et/ou de la vapeur à partir de combustibles carbonés tels que le charbon, le gaz naturel, le fuel, les résidus pétroliers... , et plus généralement à toute installation industrielle produisant des fumées riches en CO2, c'est-à-dire comprenant au moins 50 % de CO2. Le CO2 est un gaz à effet de serre. Pour des raisons environnementales et/ou économiques, on souhaite de plus en plus réduire, voire annuler, les rejets de CO2 dans l'atmosphère en le stockant dans des couches géologiques appropriées ou en le valorisant en tant que produit. On connaît des procédés d'extraction d'hydrocarbures mettant en oeuvre différents types de fluides pour accroître les quantités d'hydrocarbures extraites d'un gisement. Ces procédés sont connus en anglais sous les termes « Enhanced Oil Recovery » (EOR) ou récupération assistée d'hydrocarbures. Les procédés EOR utilisent notamment du CO2 en tant que gaz d'assistance, du fait de ses propriétés de miscibilité avec les hydrocarbures. Le CO2 est injecté sous forme gazeuse dans les réservoirs d'hydrocarbures afin de les pressuriser et de fluidifier les hydrocarbures pour en améliorer la récupération.
Les fumées rejetées par les procédés d'oxycombustion de combustibles carbonés sont particulièrement riches en CO2. L'utilisation de ces fumées dans un procédé EOR représente donc une solution profitable de captage du CO2, aussi bien au plan économique qu'environnemental. Toutefois, ces fumées ont une teneur en oxygène allant typiquement jusqu'à 5%, 30 voire jusqu'à 10% d'oxygène (% volumique). Or, l'oxygène est source de corrosion dans les dispositifs d'amenée de gaz vers les champs pétroliers, et peut en outre réagir avec les 3037504 2 hydrocarbures dans le réservoir, ce qui pose des problèmes de sécurité. Pour ces raisons, une concentration maximale de l'ordre de 200 ppm, voire de 100 ppm d'oxygène (ppm volumique) est admise. Il s'ensuit que sans traitement approprié, les fumées d' oxycombustion ne sont pas compatibles avec une utilisation en EOR. 5 On connaît un certain nombre de techniques permettant d'enlever l'oxygène d'un flux de CO2. Parmi ces techniques, on peut citer la séparation cryogénique par condensation partielle et la séparation par membrane. Mais ces techniques ne permettent pas de réduire suffisamment la teneur en oxygène pour atteindre les valeurs requises en EOR. 10 La purification par adsorption n'est pas non plus efficace car il n'existe pas d'adsorbant sélectif de l'oxygène dans le CO2. Citons enfin la distillation cryogénique, qui permet d'atteindre des teneurs très basses en oxygène mais consomme beaucoup d'énergie. Cette technique requiert en outre des investissements trop coûteux pour être implémentée sur un champ pétrolier. 15 Un problème qui se pose est dès lors de fournir un procédé de récupération d'hydrocarbures utilisant des fumées industrielles qui soit de mise en oeuvre plus simple et moins coûteuse que dans l'art antérieur. La solution de la présente invention est alors un procédé de récupération d'hydrocarbures à partir d'un premier réservoir, ledit procédé comprenant les étapes 20 suivantes : a) récupération de fumées industrielles contenant au moins 50 % de CO2 en volume, et de l'oxygène, b) lavage d'au moins une partie des fumées industrielles récupérées à l'étape a) avec une première solution aqueuse pour enlever au moins une partie de l'oxygène 25 contenu dans lesdites fumées industrielles et produire un gaz d'assistance riche en CO2 et appauvri en oxygène, ledit gaz d'assistance comprenant moins de 200 ppm d'oxygène en volume c) injection d'au moins une partie du gaz d'assistance produit à l'étape b) dans le premier réservoir contenant les hydrocarbures.
Selon le cas, le procédé selon l'invention peut mettre en oeuvre l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : 3037504 3 - les fumées industrielles récupérées à l'étape a) comprennent au moins 70 % de CO2 en volume, de préférence au moins 80 % de CO2 en volume. - les fumées industrielles récupérées à l'étape a) comprennent moins de 10 % d'oxygène en volume, de préférence moins de 5 % d'oxygène en volume.* 5 - le gaz d'assistance produit à l'étape b) comprend moins de 100 ppm d'oxygène en volume. - le procédé comprend en outre, préalablement à l'étape a) de récupération des fumées, une étape de combustion d'un combustible carboné avec un gaz riche en oxygène pour produire lesdites fumées industrielles et de la vapeur d'eau. 10 - au moins une partie de la vapeur d'eau produite préalablement à l'étape a) est injectée dans le premier réservoir et/ou dans un deuxième réservoir d'hydrocarbures différent dudit premier réservoir. - l'étape b) de lavage d'au moins une partie des fumées industrielles est effectuée avec une première solution aqueuse comprenant au moins un réactif chimique réagissant 15 avec l' oxygène. - ledit au moins un réactif chimique est choisi dans le groupe constitué de l'hydroxyde de potassium et de l'acide pyrogallique. - ledit au moins un réactif chimique est choisi dans le groupe constitué du sulfonate d' anthraquinone, de l'hydroxyde de sodium et du dithionite de sodium. 20 - ledit au moins un réactif chimique est choisi dans le groupe constitué du sulfite de sodium et de l'hydrazine. - le gaz d'assistance produit à l'étape b) comprend au moins un composé choisi dans le groupe constitué de SOx et NON, ledit procédé comprenant entre les étapes b) et c) une étape de lavage du gaz d'assistance avec une deuxième solution aqueuse pour 25 enlever au moins une partie de SOx et/ou NOx dudit gaz d'assistance. - le combustible carboné est choisi parmi : le charbon, le gaz naturel, le fuel, les résidus pétroliers. L'invention porte également sur installation de récupération d'hydrocarbures à partir d'un premier réservoir, ladite installation étant configurée pour mettre en oeuvre un 30 procédé selon l'invention et comprenant : 3037504 4 une installation industrielle configurée pour produire de la vapeur et des fumées industrielles comprenant au moins 50 % de CO2, et de l'oxygène, une unité de lavage agencée en aval de la chaudière à oxycombustion et configurée laver au moins une partie desdites fumées industrielles au moyen d'une 5 première solution aqueuse, l'unité de lavage et le premier réservoir étant relié fluidiquement via un puits d'injection. De façon avantageuse, ladite installation industrielle est une chaudière à oxycombustion.
10 L'invention va maintenant être mieux comprise grâce à la description suivante faite en référence à la Figure 1 unique ci-annexée, qui représente schématiquement une installation mettant en oeuvre un procédé selon un mode de réalisation de l'invention. Notons que la Figure 1 n'illustre qu'un exemple particulier de réalisation de l'invention. Le procédé de l'invention peut mettre en oeuvre la récupération de tout type 15 de fumées industrielles riches en CO2, c'est-à-dire comprenant au moins 50% de CO2, et de l'oxygène. Lesdites fumées industrielles peuvent être récupérées à partir d'une même installation industrielle, ou bien résulter d'un mélange de fumées industrielles récupérées à partir de plusieurs installations industrielles. L'installation illustrée sur la Figure 1 met en oeuvre les étapes décrites ci-après.
20 Les fumées industrielles 13 sont récupérées à partir d'une installation industrielle 10 consistant en une chaudière à oxycombustion. La chaudière à oxycombustion 10 produit de la chaleur par combustion d'un combustible carboné 11 avec un gaz 14 riche en oxygène. Par « gaz riche en oxygène », on entend un gaz comprenant au moins 50 % d'oxygène en volume, de préférence au moins 80 % d'oxygène en volume, de préférence 25 encore au moins 90 % d'oxygène en volume. Par « combustible carboné », on entend un combustible carboné ou hydrocarboné, c'est-à-dire contenant du carbone, par exemple, le charbon, le gaz naturel, le fuel, les résidus pétroliers. La chaleur produite par la chaudière 10 est utilisée pour produire de la vapeur d'eau 12 qui peut servir à produire de l'électricité et/ou être utilisée en tant que telle, 30 notamment en EOR. En effet, l'injection de vapeur d'eau dans un réservoir 3037504 5 d'hydrocarbures permet de réduire la viscosité et de vaporiser une fraction de ces hydrocarbures. Dans le cadre de l'invention, les fumées industrielles 13 comprenant au moins 50 % de CO2, et de l'oxygène, de préférence moins de 10 % d'oxygène en volume, de 5 préférence encore moins de 5 % d'oxygène en volume, et typiquement entre 2 et 4 % d'oxygène en volume. Avantageusement, les fumées industrielles 13 comprennent au moins 70 % de CO2 en volume, de préférence au moins 80 % de CO2 en volume et typiquement entre 80 et 90 % d'oxygène en volume. On récupère ensuite au moins une partie des fumées 13 produites par la chaudière 10 10 pour les envoyer dans une unité de lavage 20 afin d'enlever au moins une partie de l'oxygène desdites fumées industrielles 13. A noter que par « au moins une partie », on entend au moins 50 %, voire la totalité ou la quasi-totalité des fumées 13. On produit ainsi un gaz d'assistance 23 riche en CO2 et appauvri en oxygène, c'est-à-dire un gaz dont la teneur en oxygène est réduite par rapport à celle des fumées 15 industrielles 13. A noter que par gaz riche en CO2, on entend un gaz comprenant au moins 50 % de CO2 en volume, de préférence au moins 70 % de CO2 en volume, de préférence encore au moins 80 % de CO2 en volume. Notons que selon le procédé de l'invention, les fumées industrielles 13 sont maintenues sous forme gazeuse. Par forme gazeuse, on entend une forme essentiellement 20 gazeuse, c'est-à-dire que les fumées 13 peuvent comprendre notamment des poussières, des particules solides telles que des suies et/ou des gouttelettes de liquide. Le gaz d'assistance 23 est lui aussi maintenu sous forme gazeuse. L'étape de lavage est effectuée au sein de l'unité de lavage 20 au moyen d'une première solution aqueuse 21, c'est-à-dire une phase liquide contenant de l'eau en tant 25 que solvant. La mise en contact des fumées industrielles 13 avec la première solution permet de transférer par absorption physique et/ou chimique de l'oxygène de la phase gazeuse vers la phase liquide. L'utilisation d'un procédé de lavage pour enlever l'oxygène des fumées industrielles 13 offre l'avantage d'être simple à mettre en oeuvre et de consommer peu 30 d'énergie, tout en étant assez efficace pour produire un gaz d'assistance 23 riche en CO2 et dont la teneur en oxygène satisfait aux exigences d'une utilisation en EOR. Ainsi, on 3037504 6 récupère en sortie de l'unité de lavage 20 un flux de gaz d'assistance 23 comprenant moins de 200 ppm d'oxygène en volume, de préférence moins de 100 ppm d'oxygène en volume. Grâce à l'invention, il n'est pas nécessaire de recourir à des techniques complexes 5 et coûteuses telles que les procédés de séparation cryogéniques, qui nécessitent la compression et le refroidissement des fumées jusqu'à l'apparition de CO2 liquide. Ainsi, l'étape de lavage des fumées industrielles 13 est typiquement mise en oeuvre à une température supérieure à celle du point triple du CO2, alors que la pression partielle de CO2 dans les fumées 13 est inférieure à celle du point triple du CO2. Par 10 exemple la pression des fumées industrielles 13 est proche de la pression atmosphérique. La nature de la première solution 21 influe sur l'efficacité du transfert de l'oxygène des fumées 13 vers la phase liquide. Avantageusement, la première solution aqueuse 21 comprend au moins un composé chimique pouvant réagir chimiquement avec l'oxygène afin de fixer l'oxygène 15 contenu dans les fumées industrielles 13. Ceci permet d'augmenter la quantité d'oxygène éliminée des fumées 13. Selon une première variante de l'invention, ledit au moins un réactif chimique est choisi dans le groupe constitué du sulfite de sodium (Na2S03) et de l'hydrazine (N2H4). En particulier, la première solution aqueuse 21 peut comprendre du sulfite de sodium et 20 de l'hydrazine. Selon une deuxième variante, ledit au moins un réactif chimique est choisi dans le groupe constitué de l'hydroxyde de potassium (KOH) et de l'acide pyrogallique (ou pyrogallol). En particulier, la première solution aqueuse 21 peut être une solution de pyrogallol alcalin, c'est-à-dire qu'elle comprend de l'acide pyrogallique dans une 25 solution d'hydroxyde de sodium aqueuse. Selon une troisième variante, ledit réactif chimique est choisi dans le groupe constitué du sulfonate d'anthraquinone, de l'hydroxyde de sodium (NaOH) et du dithionite de sodium (Na2S204). En particulier, la première solution aqueuse 21 peut être une solution d'hyposulfate de sodium, c'est-à-dire qu'elle comprend du dithionite de 30 sodium dans une solution d'hydroxyde de sodium et de sulfonate d'anthraquinone aqueuse.
3037504 7 Plus précisément, l'unité de lavage 20 comprend des moyens de mise en contact gaz/liquide. Ces moyens peuvent prendre la forme d'une tour de lavage dans lesquels la première solution aqueuse 21 et les fumées industrielles 13 sont introduites et circulent à contre-courant. On peut aussi utiliser des contacteurs gaz/liquide de type plateaux ou 5 garnissages. En plus du CO2, les fumées d' oxycombustion 13 peuvent comprendre d'autres composés polluants comme les oxydes d'azote (NOx) et les oxydes de soufre (SOx), qui peuvent donc se retrouver dans le flux de gaz d'assistance 23. Selon un mode de réalisation particulier de l'invention, l'installation peut en outre 10 comprendre une unité de purification 30 agencée en aval de l'unité de lavage 20 afin d'enlever au moins une partie de NOx et/ou SOx du flux de gaz d'assistance 23. L'unité de purification 30 est configurée pour mettre en oeuvre une étape de lavage du gaz d'assistance 23 au moyen d'une deuxième solution aqueuse 31. La mise en contact du gaz d'assistance 13 avec la deuxième solution aqueuse 31 permet de transférer par 15 absorption physique et/ou chimique les composés NOx et/ou SOx de la phase gazeuse vers la phase liquide. La deuxième solution aqueuse 31 peut comprendre de l'hydroxyde de sodium. En outre, l'unité de purification 30 peut comprendre un ou plusieurs dispositifs de filtrage pour éliminer les poussières et/ou les particules solides pouvant se trouver dans le 20 flux de gaz d'assistance 23. Avantageusement, l'installation de récupération d'hydrocarbures comprend une unité de compression 40 du flux de gaz d'assistance 23 ou 33 en sortie de laquelle on récupère un flux de gaz d'assistance 43 comprimé, typiquement à une pression de l'ordre d'une à quelques centaines de bar.
25 L'installation selon l'invention peut aussi comprendre une unité de séchage 50 permettant l'élimination d'eau 52 pouvant se trouver sous forme de vapeur et/ou de gouttelettes dans le flux de gaz d'assistance 23, 33 ou 43. A noter qu'il est avantageux de mettre en oeuvre les étapes du procédé selon l'invention selon l'ordre présenté sur la Figure 1. En effet, l'étape de lavage du flux de 30 gaz d'assistance 23 ou 33 est d'autant plus facile que la pression du gaz d'assistance est basse et le séchage se fait d'autant plus efficacement que la pression du gaz d'assistance 3037504 8 augmente. De façon alternative, les étapes de purification (en 30) et de lavage (en 20) peuvent être interverties. Selon l'invention, on met en oeuvre le gaz d'assistance 23, 33, 43 ou 53 riche en CO2 et appauvri en oxygène dans un procédé EOR consistant à extraire des 5 hydrocarbures d'un premier réservoir 60 situé dans le sous-sol. Par « réservoir », on entend un réservoir géologique, ou gisement, situé dans le sous-sol et dans lequel sont piégés les hydrocarbures. Pour ce faire, l'unité de lavage 20 et le premier réservoir 60 sont reliés fluidiquement via un puits d'injection 61, de sorte qu'au moins une partie du flux de gaz 10 d'assistance 23, 33, 43 ou 53 est injectée dans le premier réservoir 60. Par « au moins une partie », on entend au moins 50 %, voire la totalité ou la quasi-totalité du gaz d'assistance, le gaz d'assistance pouvant être injecté pur ou mélangé avec un autre gaz. Il s'ensuit une augmentation de la pression dans le réservoir 60 ainsi qu'une réduction de la viscosité des hydrocarbures contenus dans le premier réservoir 60, si bien 15 que le déplacement des hydrocarbures 63 jusqu'au puits de production 62 est facilité. Un mode de réalisation particulièrement avantageux de l'invention consiste à utiliser au moins une partie de la vapeur d'eau 12 produite par la chaudière 10 en EOR. Selon le cas, la vapeur d'eau 12 peut être injectée dans le premier réservoir 60 et/ou dans un deuxième réservoir d'hydrocarbures (non illustré) différent dudit premier réservoir 60.
20 Ceci peut être intéressant dans les régions qui présentent des réservoirs d'hydrocarbures de natures différentes et qui requièrent l'utilisation de gaz d'assistance différents. Le procédé selon l'invention permet donc de combiner l'amélioration du taux de récupération des hydrocarbures d'un réservoir avec la valorisation des fumées industrielles produites par une chaudière à oxycombustion, qui peuvent être utilisées en 25 remplacement du CO2 extrait de gisements naturels. En outre, une partie du gaz d'assistance injecté dans le premier réservoir 60 est séquestré au moins temporairement dans le sous-sol, ce qui contribue également à réduire les émissions atmosphériques de CO2.

Claims (15)

  1. REVENDICATIONS1. Procédé de récupération d'hydrocarbures à partir d'un premier réservoir, ledit procédé comprenant les étapes suivantes : a) récupération de fumées industrielles contenant au moins 50 % de CO2 en volume, et de l'oxygène, b) lavage d'au moins une partie des fumées industrielles récupérées à l'étape a) avec une première solution aqueuse pour enlever au moins une partie de l'oxygène contenu dans lesdites fumées industrielles et produire un gaz d'assistance riche en CO2 et appauvri en oxygène, ledit gaz d'assistance comprenant moins de 200 ppm d'oxygène en volume c) injection d'au moins une partie du gaz d'assistance produit à l'étape b) dans le premier réservoir contenant les hydrocarbures.
  2. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les fumées industrielles récupérées à l'étape a) comprennent au moins 70 % de CO2 en volume, de préférence au moins 80 % de CO2 en volume.
  3. 3. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les fumées industrielles récupérées à l'étape a) comprennent moins de 10 % d'oxygène en volume, de préférence moins de 5 % d'oxygène en volume.
  4. 4. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le gaz d'assistance produit à l'étape b) comprend moins de 100 ppm d'oxygène en volume.
  5. 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend en outre, préalablement à l'étape a) de récupération des fumées, une étape de combustion d'un combustible carboné avec un gaz riche en oxygène pour produire lesdites fumées industrielles et de la vapeur d'eau. 3037504 10
  6. 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'au moins une partie de la vapeur d'eau produite préalablement à l'étape a) est injectée dans le premier réservoir et/ou dans un deuxième réservoir d'hydrocarbures différent dudit premier réservoir. 5
  7. 7. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'étape b) de lavage d'au moins une partie des fumées industrielles est effectuée avec une première solution aqueuse comprenant au moins un réactif chimique réagissant avec l'oxygène. 10
  8. 8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que ledit au moins un réactif chimique est choisi dans le groupe constitué de l'hydroxyde de potassium et de l'acide pyrogallique.
  9. 9. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que ledit au moins un réactif 15 chimique est choisi dans le groupe constitué du sulfonate d'anthraquinone, de l'hydroxyde de sodium et du dithionite de sodium.
  10. 10. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que ledit au moins un réactif chimique est choisi dans le groupe constitué du sulfite de sodium et de l'hydrazine. 20
  11. 11. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le gaz d'assistance produit à l'étape b) comprend au moins un composé choisi dans le groupe constitué de SOx et NOx, ledit procédé comprenant entre les étapes b) et c) une étape de lavage du gaz d'assistance avec une deuxième solution aqueuse pour enlever au moins 25 une partie de SOx et/ou NOx dudit gaz d'assistance.
  12. 12. Procédé selon l'une des revendications 5 à 11, caractérisé en ce que le combustible carboné est choisi parmi : le charbon, le gaz naturel, le fuel, les résidus pétroliers. 30 3037504 11
  13. 13. Installation de récupération d'hydrocarbures à partir d'un premier réservoir, ladite installation étant configurée pour mettre en oeuvre un procédé selon l'une des revendications 1 à 12 et comprenant : une installation industrielle configurée pour produire de la vapeur et des 5 fumées industrielles comprenant au moins 50 % de CO2, et de l'oxygène, une unité de lavage agencée en aval de la chaudière à oxycombustion et configurée laver au moins une partie desdites fumées industrielles au moyen d'une première solution aqueuse, l'unité de lavage et le premier réservoir étant relié fluidiquement via un puits 10 d'injection.
  14. 14. Installation selon la revendication 13, caractérisé en ce que ladite installation industrielle est une chaudière à oxycombustion.
  15. 15
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