WO2013164541A2 - Production d'energie par osmose directe - Google Patents

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WO2013164541A2
WO2013164541A2 PCT/FR2013/050956 FR2013050956W WO2013164541A2 WO 2013164541 A2 WO2013164541 A2 WO 2013164541A2 FR 2013050956 W FR2013050956 W FR 2013050956W WO 2013164541 A2 WO2013164541 A2 WO 2013164541A2
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Matthieu JACOB
Nicolas LESAGE
Pierre Pedenaud
Philippe Coffin
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Definitions

  • the present invention is part of the general context of the management and recovery of water in the extraction of hydrocarbons. More specifically, the present invention relates to a method of producing energy by direct osmosis from produced water.
  • the present invention also relates to the field of brine production, and more specifically the production of energy by direct osmosis from brine.
  • the stream extracted from the underground formation is typically a mixture of hydrocarbons, water and solid particles.
  • This flow is generally treated by decantation and / or by hydrocycloning and / or by a f otation unit so as to separate it into at least one valorizable hydrocarbon fraction and an aqueous fraction called production water.
  • Production water is a by-product of hydrocarbon extraction.
  • the present invention relates to a method of producing energy comprising the steps of:
  • the subject of the present invention is a method for producing energy comprising the steps of:
  • This process makes it particularly advantageous to produce energy from the production water.
  • the subject of the present invention is a method for producing energy comprising the steps of:
  • the present invention also relates to the use of production water or brine, obtained by extraction of a subterranean formation, to produce energy by direct osmosis.
  • FIG 1 shows schematically an embodiment of the method according to the invention.
  • FIG. 2 shows schematically another embodiment of the method according to the invention.
  • FIG. 3 diagrammatically represents an embodiment of the hydrocarbon extraction device enabling the implementation of the energy production method according to the invention.
  • the term "flow of production” is the stream extracted from a subterranean formation containing hydrocarbons.
  • the production flow is a mixture of hydrocarbons, water and possibly solid particles and gases.
  • This workflow is separated into several fractions in a separation unit that can typically be a decanter, a hydrocyclone, a flotation unit, a membrane filtration unit, or any other suitable process unit. At least one hydrocarbon fraction is recovered in a hydrocarbon collection line and an aqueous fraction is withdrawn.
  • production water is the aqueous fraction obtained after separation from the production stream.
  • Production water may contain impurities, for example:
  • suspended particles whose diameter may range from a few nanometers to a few micrometers depending on the treatments used,
  • non-soluble organic compounds in dispersion in particular hydrocarbons,
  • the concentration of dispersed hydrocarbons and particles in suspension in the production water is generally between 0 and 500 mg / l.
  • Production water has a given osmotic pressure not ⁇ .
  • the "osmotic pressure" of a solution refers to the pressure that must be exerted on the solution to prevent the solvent from passing through a semipermeable osmosis membrane, said solution being on one side of the membrane and its solvent in pure form on the other side.
  • the osmotic pressure ⁇ ⁇ of the production water can be between 0 and 200 bar (20 MPa).
  • the production water may have an osmotic pressure greater than 20 bar (2 MPa), more preferably greater than 30 bar (3 MPa), more preferably still greater than 45 bar (4.5 MPa), and in particular included between 75 bar (7.5 MPa) and 200 bar (20 MPa).
  • This osmotic pressure is generally mainly due to the presence of chloride, sodium, potassium, sulfate, magnesium, calcium, strontium and / or barium ions in the production water.
  • brine is an aqueous saline solution that is saturated or highly concentrated in salt.
  • This salt is usually sodium chloride (NaCl).
  • Brine is typically obtained by drilling one or more wells in an underground formation containing a salt deposit.
  • the brine may contain impurities (suspended particles, microorganisms, heavy metals, dissolved organic compounds, non-soluble organic compounds in dispersion, dissolved gases, etc.).
  • the brine may have an osmotic pressure ⁇ ⁇ greater than 20 bar (2 MPa), more preferably greater than 30 bar (3 MPa), more preferably still greater than 45 bar (4.5 MPa), and in particular between 75 bar (7.5 MPa) and 200 bar (20 MPa), due to the presence of salt, especially sodium chloride, at very high concentration, or even saturation.
  • hypotonic water that is to say a water whose osmotic pressure ⁇ ⁇ is lower than the osmotic pressure ⁇ of the production water or brine.
  • hypotonic water Said water having an osmotic pressure ⁇ ⁇ less than the osmotic pressure of the production water or brine ⁇ ⁇ is referred to as "hypotonic water", as opposed to the production water or brine which may be referred to as "hypertonic water”.
  • Hypotonia defines the state of a liquid having an osmotic pressure lower than that of another taken as a reference.
  • Hypotonic water may be selected from the group consisting of seawater, lake water, river water, aquifer water, domestic sewage and industrial wastewater.
  • said hypotonic water is seawater.
  • the selection of seawater is particularly advantageous if the hydrocarbon extraction is done offshore (offshore).
  • Seawater at 25 ° C has an osmotic pressure of about 25 bar (2.5 MPa).
  • the production water or the brine thus has an osmotic pressure greater than 35 bar (3.5 MPa), more preferably greater than 50 bar (5 bar).
  • MPa more preferably still greater than 75 bar (7.5 MPa), and in particular between 100 bar (10 MPa) and 200 bar (20 MPa).
  • the direct osmosis unit implemented in the process according to the invention comprises a semipermeable membrane of osmosis.
  • Direct osmosis is a well-known physico-chemical phenomenon that consists in the diffusion of the solvent from a solution of low osmotic pressure to a solution of high osmotic pressure through an osmosis membrane.
  • An osmosis membrane is a semi-permeable membrane that allows only the solvent (usually water) to pass through, and very little other substances in solution.
  • the osmosis membrane may be an organic membrane made of polymeric or co-polymer materials such as cellulose acetate, cellulose nitrate, polysulfone, polyvinylidene fluoride, polyamide and polyacrylonitrile .
  • the osmosis membrane may also be a mineral or ceramic membrane made of materials such as silicon carbide, alumina, a zeolite, zirconia, titanium oxide or mixed oxides silica / alumina or silica / zirconia.
  • the osmosis membrane may also be a nano-particle / polymer mixed membrane, a membrane based on aligned or dispersed carbon nanotubes, or a membrane containing aquaporins, such as those described in the patent application WO 2006/122566.
  • Many membranes for reverse osmosis applications are currently commercially available and may be suitable for this application. There may be mentioned, for example, Qfx membranes of NanoH20, OsMemTM of HTI, or membranes commercial reverse osmosis eg companies DOW, Hydranautics, Osmonics and Toray.
  • the direct osmosis unit according to the invention can be made according to various configurations known to those skilled in the art.
  • the osmosis membrane may be spirally or plate-shaped.
  • the choice of the membrane and the configuration of the direct osmosis unit may depend on the volume of the treated fluxes, the compactness, the quality of the membrane switch power supplies and the desired robustness.
  • the osmosis units can pose problems of clogging.
  • the osmosis membrane stops all the dissolved or suspended materials in the diffusing flux, except for the solvent which is here water, there can be an accumulation on the surface of the membrane of particles, microorganisms, of organic compounds and / or salts. This accumulation can cause degradations of the osmosis unit, which can cause a drop in yield or irreversible plugging of the membrane.
  • conventional osmosis units include spacers which can also clog and severely limit the performance of the process.
  • the proper functioning of the osmosis units generally depends on the quality of the flows introduced therein.
  • the method according to the invention may further comprise a preliminary step of pretreating the production water or the brine in a first pretreatment unit before introducing it into the direct osmosis unit.
  • the method according to the invention may comprise a step of pretreating the hypotonic water in a second pretreatment unit before introducing it into the direct osmosis unit.
  • the process may therefore comprise either a pre-treatment stage of the production water or brine, or a hypotonic water pre-treatment stage, or both.
  • the two steps can be identical or different, and implemented simultaneously or separately.
  • the first preprocessing unit and the second preprocessing unit are identical. This embodiment thus makes the units interchangeable, which from an industrial point of view makes the process simple to install, operate and maintain.
  • the pretreatment step (s) may (may) consist, independently of one another, in a filtration step or in a series of several successive filtration steps, the fltrations may be identical or different.
  • the pretreatment step (s) comprises (include) at least one ultrafiltration step.
  • Ultrafiltration which is a technique known to those skilled in the art, is typically carried out using an ultrafiltration membrane.
  • an "ultrafiltration membrane” refers to a membrane having pores whose diameter is between 1 nm and 100 nm.
  • commercial polymeric ultrafiltration membranes from Polymem, Zenon, Kubota, Pall, Inge and the ceramic ultrafiltration membranes of Pall, Ceramem, CTI Cometas and Inopore.
  • the pretreatment step (s) may (in addition) or alternatively comprise at least one filtration step in depth.
  • the pretreatment step (s) may further include at least one step of removing chlorine as well as dissolved oxygen.
  • the pretreatment advantageously makes it possible to increase the life of the direct osmosis unit by eliminating the particles, the microorganisms and / or the hydrocarbons dispersed in the production water or in the brine, thus limiting the clogging of the module and clogging membranes.
  • pretreatment steps and pretreatment units The choice of pretreatment steps and pretreatment units to be implemented depends essentially on the composition of the flows entering said units and the specification to be achieved so that the pre-processed flow does not damage the direct osmosis unit.
  • the pretreated flows contain no particles or microorganisms.
  • the pretreated flows may have an active chlorine concentration advantageously less than 0.1 mg / l.
  • the pretreated streams may have a dispersed hydrocarbon concentration advantageously less than 5 mg / l.
  • the osmosis membrane used in the process according to the invention forms a separation between two chambers inside the osmosis unit, the first chamber receiving the production water or the brine, and the second chamber receiving hypotonic water.
  • the difference in osmotic pressure between the flows in these two chambers is at the origin of the direct osmosis phenomenon.
  • the production water or the brine is sent into the first chamber of the osmosis unit at a pressure P c .
  • a pump can be used to bring the production water or brine to the desired pressure P c .
  • the pressure P c is preferably between 20 bar and 80 bar.
  • the hypotonic water is sent to the second chamber of the osmosis unit at a pressure P a .
  • a pump may be used to bring the hypotonic water into the second chamber of the osmosis unit at a sufficient pressure, preferably less than 10 bar.
  • the diffusion stream can be calculated according to the following formula:
  • Jdiff L P x (An - AP)
  • Jdiff is the broadcast stream (in Lh “ .m " )
  • L P denotes the permeability of the osmosis membrane (in Lb / l .m .bar "1 ),
  • ⁇ denotes the osmotic pressure difference ⁇ ⁇ - ⁇ ⁇ between the production water or the brine and the hypotonic water (in bar), and
  • ⁇ denotes the pressure difference P c - P a between the production water or the brine and the hypotonic water at the inlet of the osmosis unit (in bar).
  • the diffusion flux J dif f is therefore directly proportional to ( ⁇ - ⁇ ), and ⁇ increases when P c increases, P c being the inlet pressure of the production water or brine in the module.
  • the recoverable energy produced is proportional to the flow rate of the flow leaving the compartment in which between the production water or the brine and the pressure P c .
  • the higher the pressure P c is important plus the energy gain will be high.
  • too high a pressure P c causing a decrease in the flow through the membrane ultimately leads to a decrease in the outflow of the compartment in which between the production water or brine therefore a decrease in the energy produced.
  • a permeate which leaves the compartment in which enters the production water or the brine.
  • the permeate comprises production water or brine and the flow of water that has passed through the osmosis membrane.
  • the flow rate of the permeate is therefore greater than the flow rate of the water of production or brine entering the direct osmosis unit.
  • the physicochemical characteristics of the permeate correspond to those of the production water or brine, to a dilution factor.
  • the retentate which comes out of the compartment in which enters the hypotonic water.
  • the retentate includes hypotonic water that has not passed through the osmosis membrane.
  • the flow rate of the retentate is therefore lower than the flow rate of the hypotonic water entering the direct osmosis unit.
  • the physicochemical characteristics of the retentate correspond to those of the hypotonic water, with a concentration factor close.
  • the retentate can be removed from the direct osmosis unit and released to the environment in an appropriate manner according to the regulations in force.
  • the flow of water through the osmosis membrane, by direct osmosis phenomenon, is used to produce energy.
  • the energy recovery means may advantageously comprise a turbine coupled to a generator.
  • the permeate is conducted in a turbine which, coupled to a generator, can produce electrical energy.
  • the permeate is separated into two streams at the outlet of the osmosis unit:
  • a first flow is used to produce energy, preferably by means of a turbine coupled to a generator;
  • a second flow is brought back to the direct osmosis unit, preferably after having been raised to a pressure P c by means of a pump.
  • a pressure exchanger is provided on this recirculation loop, before entering the osmosis unit. This pressure exchanger makes it possible to increase the pressure of the production water or brine before it enters the osmosis unit.
  • the pump for bringing the flow entering the osmosis unit to the pressure P c > is preferably located downstream of the pressure exchanger and upstream of the direct osmosis unit. In an alternative embodiment, however, it is possible to position this pump upstream of the pressure exchanger.
  • the pressure P c > which corresponds to the working pressure of the pump, is chosen by the operator. It is preferably equal to ⁇ / 2.
  • the pressure P c > is preferably between 20 bar and 80 bar.
  • the method which is the subject of the present invention therefore advantageously makes it possible to produce energy from production water, which is usually rejected, or from brine. It is therefore a clean energy production technology.
  • production water In the field of hydrocarbon production, the quantities of produced water from hydrocarbon extraction are estimated at more than 250 million barrels a day in the world today, which is a considerable amount. Production water is therefore potentially an important source of energy. This potential has remained unexploited until now.
  • the choice of direct osmosis technology to enhance the production water is not an arbitrary choice.
  • the production water generally has a particularly high osmotic pressure. It can therefore be advantageously used in an osmosis unit in contact with fresh water or sea water.
  • brine has by definition a salt concentration higher than that of seawater. It can thus also be used advantageously in a unit of osmosis in contact with fresh water or water. sea.
  • the present invention also relates to a device for extracting a fluid allowing the implementation of the energy production method as described above, comprising:
  • the fluid is a flow of production water: means for separating this production flow into at least one hydrocarbon fraction and an aqueous fraction called production water; and
  • a direct osmosis unit comprising an osmosis membrane, means for introducing at least part of the production water or brine on one side of the membrane, means for introducing hypotonic water of the other side of the membrane, and means for recovering the energy produced by osmosis of the water through the osmosis membrane.
  • a hydrocarbon extraction device for implementing the energy production method as described above, comprising:
  • a direct osmosis unit comprising an osmosis membrane, means for introducing at least part of the production water on one side of the membrane, means for introducing hypotonic water on the other side of the membrane, and means for recovering the energy produced by osmosis of the water through the osmosis membrane.
  • the present invention relates to a brine extraction device for the implementation of the energy production method as described above, comprising :
  • a direct osmosis unit comprising an osmosis membrane, means for introducing at least part of the brine on one side of the membrane, means for introducing hypotonic water on the other side of the membrane , and means for recovering the energy produced by osmosis of the water through the osmosis membrane.
  • FIG. 1 shows an embodiment of the energy production method according to the invention.
  • the power generation unit 1 comprises a direct osmosis unit 2, a first pretreatment unit 3, a second pretreatment unit 4, and a power generation means 15.
  • a production water flow 5 is introduced into the first pretreatment unit 3.
  • Said pretreatment unit 3 preferably comprises at least one ultrafiltration device.
  • the production water stream 5 is preferably pre-filtered on prefilters having a diameter ranging from 500 to 10 ⁇ , before being fed to the ultrafiltration membrane.
  • a stream 6 of hypotonic water is introduced into the second pretreatment unit 4.
  • the stream 6 is a stream of seawater.
  • Said pretreatment unit 4 preferably comprises at least one ultrafiltration device or a filter in depth.
  • the first pretreatment unit 3 and the second pretreatment unit 4 are identical.
  • a flow of pre-treated production water 7 is obtained at the outlet of the first pre-treatment unit 3 and is introduced into the first chamber 8 of the direct osmosis unit 2.
  • a pre-processed flow 9 is obtained at the outlet of the second unit pretreatment 4 and is introduced into the second chamber 10 of the direct osmosis unit 2.
  • the first chamber 8 and the second chamber 10 of the direct osmosis unit 2 are separated by an osmosis membrane 11. osmotic pressure difference between streams 7 and 9 causes osmosis phenomenon.
  • a stream of water free of any solute 12 diffuses through the osmosis membrane 11 from the second chamber 10 to the first chamber 8.
  • a retentate 14 is recovered at the outlet of the second chamber 10 of the direct osmosis unit 2. This retentate 14 can be rejected from the energy production unit 1 as appropriate.
  • a permeate 13 is recovered at the outlet of the first chamber 8 of the direct osmosis unit 2. It is introduced into a power generation means 15.
  • This means is preferably a turbine coupled to a generator.
  • Energy 17 is recovered from the means 15, typically in the form of an electric current, while the effluent 16 of the means 15 may be rejected from the power generation unit 1 as appropriate.
  • FIG. 2 shows another embodiment of the energy production method according to the invention.
  • the production water stream 5, after having passed through the first pre-treatment unit 3, is fed via line 18 to the pump 20 to be brought to a first pressure.
  • This flow is then brought by the pipe 22 into a pressure exchanger 23 and it leaves via the pipe 24 before being introduced into the first chamber 8 of the direct osmosis unit 2 through the circulation pump 25 and via the pipe 26.
  • the flow enters the osmosis unit at the pressure P c >
  • the flow 6 of hypotonic water after passing through the second pretreatment unit 4, is fed through the pipe 19 to the pump 21 to be brought to a pressure P a .
  • This flow is then introduced into the second chamber 10 of the direct osmosis unit 2 via the pipe 27.
  • the permeate 13 is separated into two parts: the first part of the flow is introduced as described in the embodiment of FIG. 15. The second portion of the flow is conveyed in the conduit 28 to the pressure exchanger 23 where it is brought into contact with the flow of production water 22. The effluent 29 of the pressure exchanger 23 can be rejected from the power generation unit 1 as appropriate.
  • embodiments of the energy production method according to the invention are identical to those described in FIGS. 1 and 2, except that the flow entering the device is not a production water flow but a stream of brine.
  • Figure 3 shows an embodiment of the hydrocarbon extraction device for implementing the energy production method as described above.
  • the hydrocarbon extraction device 30 comprises an extraction means 31, making it possible to extract from a subterranean formation a production stream 32, a separation means 33, making it possible to separate this production stream 32 into at least one hydrocarbon fraction 34 and an aqueous fraction called production water.
  • the hydrocarbon fraction 34 is recoverable.
  • the hydrocarbon extraction device 30 also comprises a direct osmosis unit 2.
  • This direct osmosis unit 2 comprises an osmosis membrane 11.
  • the production water is introduced via line 35 into the direct osmosis unit 2, on one side of said membrane 11.
  • hypotonic water is introduced, by means of the pipe 36, on the other side of the membrane 11.
  • a permeate 13 and a retentate 14 are recovered at the outlet of the direct osmosis unit
  • the hydrocarbon extraction device 30 further comprises a power generating means 15, preferably a turbine coupled to a generator.
  • Energy 17 is recovered from the means 15, typically in the form of an electric current, while the effluent 16 of the means 15 can be discharged from the hydrocarbon extraction device 30 appropriately.
  • a hydrocarbon extraction site can create up to 48,000 m per day of saline water of 200 g / L.
  • the inventors have shown, by calculation, that the implementation of the method according to the invention could produce an energy ranging from 0.6 MW to 0.9 MW by bringing this production water into contact with seawater having a salinity of 35 g / L.

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Abstract

L'invention concerne un procédé de production d'énergie par osmose direct à partir d'eau de production ou de saumure obtenue par extraction d'une formation souterraine, un dispositif d'extraction d'un fluide permettant la mise en œuvre de ce procédé de production d'énergie, ainsi que l'utilisation d'eau de production ou de saumure, obtenue par extraction d'une formation souterraine, pour produire de l'énergie par osmose directe.

Description

PRODUCTION D'ENERGIE
PAR OSMOSE DIRECTE
DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION
La présente invention s'inscrit dans le contexte général de la gestion et de la valorisation de l'eau dans l'extraction d'hydrocarbures. Plus spécifiquement, la présente invention concerne un procédé de production d'énergie par osmose directe à partir d'eau de production.
Par ailleurs, la présente invention concerne également le domaine de la production de saumure, et plus précisément la production d'énergie par osmose directe à partir de saumure.
ART ANTERIEUR
Lors de la production d'hydrocarbures, le flux extrait de la formation souterraine est typiquement un mélange d'hydrocarbures, d'eau et de particules solides. Ce flux, appelé flux de production, est généralement traité par décantation et/ou par hydrocyclonage et/ou par une unité de f ottation de façon à le séparer en au moins une fraction hydrocarbonée valorisable et une fraction aqueuse appelée eau de production.
L'eau de production est un sous-produit de l'extraction d'hydrocarbures.
Plutôt que de rejeter l'eau de production dans l'environnement, directement ou avec un traitement préalable, il serait avantageux pour les producteurs d'hydrocarbures de tirer un profit de ce sous-produit.
C'est dans ce contexte que les inventeurs se sont intéressés au potentiel de l'eau de production comme source d'énergie.
Tout comme l'eau de production, la saumure est un flux potentiellement exploitable pour la production d'énergie.
Parmi les techniques de production d'énergie, l'utilisation du phénomène d'osmose directe a déjà été envisagée. On considère que c'est dans les années 70 que, pour la première fois, le professeur américain Loeb a eu l'idée d'un procédé de production d'électricité en mettant en contact de l'eau douce et de l'eau de mer de part et d'autre d'une membrane semi-perméable. De tels procédés sont par exemple décrits dans les brevets américains US 3 978 344 (déposé en 1974) et US 4 193 267 (déposé en 1978). Ce n'est que beaucoup plus tard, en 1997, qu'une société norvégienne, la société Statkraft, s'est engagée dans le développement de l'énergie osmotique. Cette société propose de produire de l'énergie électrique grâce au phénomène d'osmose directe entre l'eau douce et l'eau de mer en installant des centrales osmotiques à l'embouchure des fleuves.
Les inventeurs ont constaté que, bien que la production d'énergie par osmose directe soit connue depuis longtemps, la mise en œuvre réelle de ce procédé a toujours été limitée bien spécifiquement à l'utilisation d'eau douce et d'eau de mer, avec des installations situées à l'embouchure des fleuves, là où l'on dispose à proximité de ressources en eau douce et en eau salée.
RESUME DE L'INVENTION
La présente invention a pour objet un procédé de production d'énergie comprenant les étapes consistant à :
- extraire d'une formation souterraine un flux de production et séparer ce flux en au moins une fraction hydrocarbonée et une fraction aqueuse appelée eau de production, ou bien extraire d'une formation souterraine un flux de saumure ;
- mettre en contact au moins une partie de l'eau de production ou de la saumure, dans une unité d'osmose directe, avec un côté d'une membrane d'osmose, dont l'autre côté est en contact avec une eau hypotonique ;
- récupérer l'énergie produite par osmose de l'eau à travers la membrane d'osmose.
Selon un mode de réalisation particulier lié au domaine de la production d'hydrocarbures, la présente invention a pour objet un procédé de production d'énergie comprenant les étapes consistant à :
- extraire d'une formation souterraine un flux de production ;
- séparer ce flux en au moins une fraction hydrocarbonée et une fraction aqueuse appelée eau de production,
- mettre en contact au moins une partie de l'eau de production, dans une unité d'osmose directe, avec un côté d'une membrane d'osmose, dont l'autre côté est en contact avec une eau hypotonique, et
- récupérer l'énergie produite par osmose de l'eau à travers la membrane d'osmose.
Ce procédé permet de manière particulièrement avantageuse de produire de l'énergie à partir de l'eau de production.
Selon un autre mode de réalisation particulier lié au domaine de la production de saumure, la présente invention a pour objet un procédé de production d'énergie comprenant les étapes consistant à :
- extraire d'une formation souterraine un flux de saumure ; - mettre en contact au moins une partie de la saumure, dans une unité d'osmose directe, avec un côté d'une membrane d'osmose, dont l'autre côté est en contact avec une eau hypotonique ;
- récupérer l'énergie produite par osmose de l'eau à travers la membrane d'osmose.
La présente invention a également pour objet l'utilisation d'eau de production ou de saumure, obtenue par extraction d'une formation souterraine, pour produire de l'énergie par osmose directe.
BREVE DESCRIPTION DES FIGURES
La figure 1 représente schématiquement un mode de réalisation du procédé selon l'invention.
La figure 2 représente schématiquement un autre mode de réalisation du procédé selon l'invention.
La figure 3 représente schématiquement un mode de réalisation du dispositif d'extraction d'hydrocarbures permettant la mise en œuvre du procédé de production d'énergie selon l'invention.
DESCRIPTION DETAILLEE
Dans la présente invention, on appelle « flux de production » le flux extrait d'une formation souterraine contenant des hydrocarbures. Le flux de production est un mélange d'hydrocarbures, d'eau et éventuellement de particules solides et de gaz. Ce flux de production est séparé en plusieurs fractions dans une unité de séparation qui peut typiquement être un décanteur, un hydrocyclone, une unité de flottation, une unité de filtration membranaire ou toute autre unité de traitement appropriée. Au moins une fraction hydrocarbonée est récupérée dans une ligne de collecte d'hydrocarbures et une fraction aqueuse est soutirée.
Dans la présente invention, on appelle « eau de production » la fraction aqueuse obtenue après séparation du flux de production.
L'eau de production peut contenir des impuretés, par exemple :
- des particules en suspension, dont le diamètre peut aller de quelques nanomètres à quelques micromètres suivant les traitements utilisés,
- des microorganismes,
- des sels dissous,
- des métaux lourds, - des composés organiques dissous, en particulier des hydrocarbures,
- des composés organiques non solubles en dispersion, en particulier des hydrocarbures,
- des gaz dissous.
La concentration en hydrocarbures dispersés et en particules en suspension dans l'eau de production est généralement comprise entre 0 et 500 mg/L.
L'eau de production a une pression osmotique donnée notée ΠΡ. Dans la présente invention, la « pression osmotique » d'une solution désigne la pression qu'il faut exercer sur la solution pour empêcher le solvant de traverser une membrane semi-perméable d'osmose, ladite solution se trouvant d'un côté de la membrane et son solvant à l'état pur se trouvant de l'autre côté. La pression osmotique ΠΡ de l'eau de production peut être comprise entre 0 et 200 bars (20 MPa). Avantageusement, l'eau de production peut avoir une pression osmotique supérieure à 20 bars (2 MPa), plus préférentiellement supérieure à 30 bars (3 MPa), plus préférentiellement encore supérieure à 45 bars (4,5 MPa), et en particulier comprise entre 75 bars (7,5 MPa) et 200 bars (20 MPa). Cette pression osmotique est en général essentiellement due à la présence d'ions chlorure, sodium, potassium, sulfate, magnésium, calcium, strontium et/ou baryum dans l'eau de production.
Par définition, la saumure est une solution aqueuse salée à saturation ou très concentrée en sel. Ce sel est généralement le chlorure de sodium (NaCl). La saumure est typiquement obtenue par forage d'un ou de plusieurs puits dans une formation souterraine contenant un gisement de sel. Comme l'eau de production, la saumure peut contenir des impuretés (particules en suspension, microorganismes, métaux lourds, composés organiques dissous, composés organiques non solubles en dispersion, gaz dissous. ..). De plus, comme l'eau de production, la saumure peut avoir une pression osmotique ΠΡ supérieure à 20 bars (2 MPa), plus préférentiellement supérieure à 30 bars (3 MPa), plus préférentiellement encore supérieure à 45 bars (4,5 MPa), et en particulier comprise entre 75 bars (7,5 MPa) et 200 bars (20 MPa), en raison de la présence de sel, notamment de chlorure de sodium, à très haute concentration, voire à saturation.
Dans le procédé objet de la présente invention, au moins une partie de l'eau de production ou de la saumure est mise en contact, dans une unité d'osmose directe, avec un côté d'une membrane d'osmose, dont l'autre côté est en contact avec une eau hypotonique, c'est-à-dire une eau dont la pression osmotique ΠΜ est inférieure à la pression osmotique Πρ de l'eau de production ou de la saumure. Ladite eau ayant une pression osmotique ΠΜ inférieure à la pression osmotique de l'eau de production ou de la saumure ΠΡ est désignée par le terme « eau hypotonique », par opposition à l'eau de production ou à la saumure qui peut être désignée par le terme « eau hypertonique ». L'hypotonie définie l'état d'un liquide ayant une pression osmotique inférieure à celle d'un autre pris comme référence.
L'eau hypotonique peut être choisie dans le groupe constitué par l'eau de mer, l'eau de lac, l'eau de rivière, l'eau d'aquifère, les eaux usées domestiques et les eaux usées industrielles. De préférence, ladite eau hypotonique est de l'eau de mer. La sélection de l'eau de mer est particulièrement avantageuse si l'extraction d'hydrocarbures se fait en mer (offshore). L'eau de mer à 25 °C a une pression osmotique d'environ 25 bars (2,5 MPa). Dans un mode de réalisation où l'eau hypotonique est de l'eau de mer, l'eau de production ou la saumure a ainsi une pression osmotique supérieure à 35 bars (3,5 MPa), plus préférentiellement supérieure à 50 bars (5 MPa), plus préférentiellement encore supérieure à 75 bars (7,5 MPa), et en particulier comprise entre 100 bars (10 MPa) et 200 bars (20 MPa).
L'unité d'osmose directe mise en œuvre dans le procédé selon l'invention comprend une membrane semi-perméable d'osmose. L'osmose directe est un phénomène physico-chimique bien connu qui consiste en la diffusion du solvant d'une solution de faible pression osmotique vers une solution de forte pression osmotique à travers une membrane d'osmose.
Une membrane d'osmose est une membrane semi-perméable ne laissant passer que le solvant (en général l'eau), et très peu les autres substances en solution.
La membrane d'osmose peut être une membrane organique, constituée de matériaux polymères ou co-polymères comme l'acétate de cellulose, le nitrate de cellulose, la polysulfone, le poly(fluorure de vinylidène), le polyamide et le poly(acrylonitrile). La membrane d'osmose peut également être une membrane minérale ou céramique constituée de matériaux comme le carbure de silicium, l'alumine, une zéolithe, la zircone, l'oxyde de titane ou des oxydes mixtes silice/alumine ou silice/zircone. La membrane d'osmose peut également être une membrane mixte nano-particules/polymère, une membrane à base de nanotubes de carbone alignés ou dispersés, ou une membrane contenant des aquaporines, telle que celles décrites dans la demande de brevet WO 2006/122566. De nombreuses membranes destinées à des applications d'osmose inverse sont actuellement disponibles dans le commerce et peuvent convenir à la présente application. On peut citer par exemple les membranes Qfx de NanoH20, OsMemTM de HTI, ou encore les membranes commerciales d'osmose inverse par exemple des sociétés DOW, Hydranautics, Osmonics et Toray.
L'unité d'osmose directe selon l'invention peut être réalisée selon différentes configurations connues de l'homme du métier. Par exemple, la membrane d'osmose peut être disposée en spirale ou en plaque. Le choix de la membrane et de la configuration de l'unité d'osmose directe peut dépendre du volume des flux traités, de la compacité, de la qualité des alimentations du contacteur membranaire et de la robustesse désirée.
En effet, les unités d'osmose peuvent poser des problèmes de colmatage. En particulier, comme la membrane d'osmose arrête toutes les matières dissoutes ou en suspension dans le flux diffusant, sauf le solvant qui est ici l'eau, il peut se produire une accumulation à la surface de la membrane de particules, de microorganismes, de composés organiques et/ou de sels. Cette accumulation peut provoquer des dégradations de l'unité d'osmose, pouvant causer une baisse de rendement, voire le colmatage irréversible de la membrane. En outre, les unités d'osmose classiques comprennent des espaceurs qui peuvent elles aussi s'encrasser et fortement limiter les performances du procédé. Ainsi, le bon fonctionnement des unités d'osmose dépend généralement de la qualité des flux qui y sont introduits.
Le procédé selon l'invention peut comprendre en outre une étape préliminaire consistant à prétraiter l'eau de production ou la saumure dans une première unité de prétraitement avant de l'introduire dans l'unité d'osmose directe. En outre ou alternativement, le procédé selon l'invention peut comprendre une étape consistant à prétraiter l'eau hypotonique dans une seconde unité de prétraitement avant de l'introduire dans l'unité d'osmose directe.
Le procédé peut donc comprendre, soit une étape de prétraitement de l'eau de production ou de la saumure, soit une étape de prétraitement de l'eau hypotonique, soit les deux. Lorsque les deux étapes sont présentes, celles-ci peuvent être identiques ou différentes, et mises en œuvre simultanément ou séparément. Avantageusement, la première unité de prétraitement et la seconde unité de prétraitement sont identiques. Ce mode de réalisation permet ainsi de rendre les unités interchangeables, ce qui d'un point de vue industriel rend le procédé simple à installer, à faire fonctionner et à entretenir.
La ou les étape(s) de prétraitement peut (peuvent) consister, indépendamment l'une de l'autre, en une étape de fïltration ou en une série de plusieurs étapes de fïltration successives, les fïltrations pouvant être identiques ou différentes. Avantageusement, la ou les étape(s) de prétraitement comprend (comprennent) au moins une étape d'ultrafiltration. L'ultrafïltration, qui est une technique connue de l'homme du métier, est typiquement réalisée à l'aide d'une membrane d'ultrafîltration. Dans la présente invention, une « membrane d'ultrafîltration » désigne une membrane comportant des pores dont le diamètre est compris entre 1 nm et 100 nm. On peut citer par exemple les membranes d'ultrafîltration polymériques commerciales des sociétés Polymem, Zenon, Kubota, Pall, Inge et les membranes d'ultrafîltration céramique des sociétés Pall, Ceramem, CTI Cometas et Inopore.
La ou les étape(s) de prétraitement peut (peuvent) en outre ou alternativement comprendre au moins une étape de fîltration en profondeur.
La ou les étape(s) de prétraitement peut (peuvent) en outre comprendre au moins une étape d'élimination du chlore ainsi que de l'oxygène dissous.
Le prétraitement permet avantageusement d'augmenter la durée de vie de l'unité d'osmose directe en éliminant les particules, les microorganismes et/ou les hydrocarbures en dispersion dans l'eau de production ou dans la saumure, limitant ainsi l'encrassement du module et le colmatage des membranes.
Le choix des étapes de prétraitement et des unités de prétraitement à mettre en œuvre dépend essentiellement de la composition des flux entrant dans lesdites unités et de la spécification à atteindre pour que le flux prétraité n'endommage pas l'unité d'osmose directe.
Avantageusement, les flux prétraités ne contiennent ni particules, ni microorganismes. En outre, les flux prétraités peuvent avoir une concentration en chlore actif avantageusement inférieure à 0,1 mg/L. De plus, les flux prétraités peuvent avoir une concentration en hydrocarbures sous forme dispersée avantageusement inférieure à 5 mg/L.
La membrane d'osmose mise en œuvre dans le procédé selon l'invention forme une séparation entre deux chambres à l'intérieur de l'unité d'osmose, la première chambre recevant l'eau de production ou la saumure, et la seconde chambre recevant l'eau hypotonique. La différence de pression osmotique entre les flux dans ces deux chambres est à l'origine du phénomène d'osmose directe. L'eau hypotonique, ayant la plus petite pression osmotique, se trouvant dans la seconde chambre, diffuse à travers la membrane d'osmose vers la première chambre.
La différence de pression osmotique (ΔΠ = ΠΡ - ΠΜ) peut de préférence être supérieure à 10 bars (1 MPa), de façon plus préférée supérieure à 20 bars (2 MPa), et de façon encore plus préférée comprise entre 50 bars (5 MPa) et 200 bars (20 MPa). Selon un mode de réalisation, l'eau de production ou la saumure est envoyée dans la première chambre de l'unité d'osmose à une pression Pc. Une pompe peut être utilisée pour amener l'eau de production ou la saumure à la pression Pc souhaitée. La pression Pc est préférentiellement comprise entre 20 bars et 80 bars. L'eau hypotonique est envoyée dans la seconde chambre de l'unité d'osmose à une pression Pa. Une pompe peut être utilisée pour amener l'eau hypotonique dans la seconde chambre de l'unité d'osmose à une pression suffisante, de préférence inférieure à 10 bars.
La différence de pression entre les deux flux à l'entrée de l'unité d'osmose (ΔΡ = Pc - Pa) est inférieure à la différence de pression osmotique ΔΠ entre ces deux flux.
Le flux de diffusion peut être calculé selon la formule suivante :
Jdiff = LP x (An - AP)
dans laquelle
-1 -2
Jdiff désigne le flux de diffusion (en L.h" .m" )
-1 -2 -1
LP désigne la perméabilité de la membrane d'osmose (en L.b/1.m .bar"1),
ΔΠ désigne la différence de pression osmotique ΠΡ - ΠΜ entre l'eau de production ou la saumure et l'eau hypotonique (en bar), et
ΔΡ désigne la différence de pression Pc - Pa entre l'eau de production ou la saumure et l'eau hypotonique, à l'entrée de l'unité d'osmose (en bar).
Le flux de diffusion Jdiff est donc directement proportionnel à (ΔΠ - ΔΡ), et ΔΡ augmente lorsque Pc augmente, Pc étant la pression d'entrée de l'eau de production ou de la saumure dans le module. De plus, l'énergie produite récupérable est proportionnelle au débit du flux sortant du compartiment dans lequel entre l'eau de production ou la saumure et à la pression Pc. Ainsi, pour un débit donné, plus la pression Pc est importante plus le gain d'énergie sera élevé. Cependant, une pression Pc trop importante entraînant une diminution du flux traversant la membrane, on aboutit in fine à une diminution du flux sortant du compartiment dans lequel entre l'eau de production ou la saumure donc à une diminution de l'énergie produite.
Il s'agit de trouver une valeur de pression Pc optimale à la production d'énergie. Cette valeur est typiquement égale à ΔΠ/2.
En sortie de l'unité d'osmose directe, le procédé objet de la présente invention permet d'obtenir deux flux :
- Un perméat, qui sort du compartiment dans lequel entre l'eau de production ou la saumure. Le perméat comprend de l'eau de production ou la saumure et le flux d'eau qui a traversé la membrane d'osmose. Le débit du perméat est donc supérieur au débit de l'eau de production ou de la saumure entrant dans l'unité d'osmose directe. Les caractéristiques physico-chimiques du perméat correspondent à celles de l'eau de production ou de la saumure, à un facteur de dilution près.
- Un rétentat, qui sort du compartiment dans lequel entre l'eau hypotonique. Le rétentat comprend de l'eau hypotonique qui n'a pas traversé la membrane d'osmose. Le débit du rétentat est donc inférieur au débit de l'eau hypotonique entrant dans l'unité d'osmose directe. Les caractéristiques physico-chimiques du rétentat correspondent à celles de l'eau hypotonique, à un facteur de concentration près.
Le rétentat peut être évacué de l'unité d'osmose directe et rejeté dans l'environnement de manière appropriée suivant la réglementation en vigueur.
Le flux d'eau traversant la membrane d'osmose, par phénomène d'osmose directe, est utilisé pour produire de l'énergie. Pour ce faire, on peut utiliser des moyens techniques connus de l'homme du métier pour récupérer l'énergie du perméat. Les moyens de récupération de l'énergie peuvent avantageusement comprendre une turbine couplée à un générateur. Dans ce cas, le perméat est conduit dans une turbine qui, couplée à un générateur, peut produire de l'énergie électrique.
Selon un mode de réalisation particulièrement avantageux, le perméat est séparé en deux flux à la sortie de l'unité d'osmose :
- un premier flux est utilisé pour produire de l'énergie, préférentiellement au moyen d'une turbine couplée à un générateur ;
- un second flux est ramené vers l'unité d'osmose direct, de préférence après avoir été élevé à une pression Pc> grâce à une pompe. Dans un mode de réalisation particulier, un échangeur de pression est prévu sur cette boucle de recirculation, avant l'entrée dans l'unité d'osmose. Cet échangeur de pression permet d'augmenter la pression de l'eau de production ou de la saumure avant qu'elle entre dans l'unité d'osmose. La pompe permettant d'amener le flux entrant dans l'unité d'osmose à la pression Pc> est préférentiellement située en aval de l'échangeur de pression et en amont de l'unité d'osmose directe. Dans un mode de réalisation alternatif, on peut cependant prévoir de positionner cette pompe en amont de l'échangeur de pression.
La pression Pc>, qui correspond donc à la pression de travail de la pompe, est choisie par l'opérateur. Elle est préférentiellement égale à ΔΠ/2. La pression Pc> est préférentiellement comprise entre 20 bars et 80 bars. L'utilisation d'une boucle de recirculation permet in fine de diminuer la taille de la turbine tout en préservant le gain énergétique. Cet aspect est particulièrement vrai lorsqu'un échangeur de pression est utilisé.
Le procédé objet de la présente invention permet donc avantageusement de produire de l'énergie à partir d'eau de production, qui est habituellement rejetée, ou à partir de saumure. Il s'agit donc d'une technologie de production d'énergie propre. Dans le domaine de la production d'hydrocarbures, les quantités d'eau de production issues de l'extraction d'hydrocarbures sont estimées à plus de 250 millions de barils par jour dans le monde aujourd'hui, ce qui est une quantité considérable. L'eau de production constitue donc potentiellement une source d'énergie importante. Ce potentiel était resté jusqu'à présent inexploité. En outre, le choix de la technologie de l'osmose directe pour valoriser l'eau de production n'est pas un choix arbitraire. En effet, l'eau de production a généralement une pression osmotique particulièrement élevée. Elle peut donc être avantageusement utilisée dans une unité d'osmose en contact avec de l'eau douce ou de l'eau de mer. La mise en contact de l'eau de production avec de l'eau douce ou de l'eau de mer permet d'atteindre des pressions dans le perméat de plus de 70 bar (7 MPa), alors que la mise en contact de l'eau douce avec l'eau de mer ne permet d'atteindre des pressions que de l'ordre de 30 bar (3 MPa) maximum. De même, la saumure a par définition une concentration en sel supérieure à celle de l'eau de mer. Elle peut donc être également utilisée de façon avantageuse dans une unité d'osmose en contact avec de l'eau douce ou de l'eau de mer.
La présente invention a également pour objet un dispositif d'extraction d'un fluide permettant la mise en œuvre du procédé de production d'énergie tel que décrit précédemment, comprenant :
- des moyens pour extraire d'une formation souterraine un fluide choisi parmi un flux de production et un flux de saumure ;
- si le fluide est un flux d'eau de production : des moyens pour séparer ce flux de production en au moins une fraction hydrocarburée et une fraction aqueuse appelée eau de production ; et
- une unité d'osmose directe comprenant une membrane d'osmose, un moyen pour introduire au moins une partie de l'eau de production ou de la saumure d'un côté de la membrane, un moyen pour introduire de l'eau hypotonique de l'autre côté de la membrane, et des moyens de récupération de l'énergie produite par osmose de l'eau à travers la membrane d'osmose. Selon un mode de réalisation particulier lié au domaine de la production d'hydrocarbures, la présente invention a pour objet un dispositif d'extraction d'hydrocarbures permettant la mise en œuvre du procédé de production d'énergie tel que décrit précédemment, comprenant :
- des moyens pour extraire d'une formation souterraine un flux de production ;
- des moyens pour séparer ce flux de production en au moins une fraction hydrocarburée et une fraction aqueuse appelée eau de production ; et
- une unité d'osmose directe comprenant une membrane d'osmose, un moyen pour introduire au moins une partie de l'eau de production d'un côté de la membrane, un moyen pour introduire de l'eau hypotonique de l'autre côté de la membrane, et des moyens de récupération de l'énergie produite par osmose de l'eau à travers la membrane d'osmose.
En outre, selon un autre mode de réalisation particulier lié au domaine de la production de saumure, la présente invention a pour objet un dispositif d'extraction de saumure permettant la mise en œuvre du procédé de production d'énergie tel que décrit précédemment, comprenant :
- des moyens pour extraire d'une formation souterraine un flux de saumure ;
- une unité d'osmose directe comprenant une membrane d'osmose, un moyen pour introduire au moins une partie de la saumure d'un côté de la membrane, un moyen pour introduire de l'eau hypotonique de l'autre côté de la membrane, et des moyens de récupération de l'énergie produite par osmose de l'eau à travers la membrane d'osmose.
Enfin, l'utilisation d'eau de production ou de saumure, obtenue par extraction d'une formation souterraine, pour produire de l'énergie par osmose directe est également un objet de la présente invention. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront du mode de réalisation et l'exemple décrit ci-dessous.
DESCRIPTION DETAILLEE DES FIGURES
Sur la figure 1 est représenté un mode de réalisation du procédé de production d'énergie selon l'invention.
L'unité de production d'énergie 1 comprend une unité d'osmose directe 2, une première unité de prétraitement 3, une seconde unité de prétraitement 4, et un moyen de production d'énergie 15. Un flux d'eau de production 5 est introduit dans la première unité de prétraitement 3. Ladite unité de prétraitement 3 comprend de préférence au moins un dispositif d'ultrafîltration. Le flux d'eau de production 5 est de préférence préalablement filtré sur des préfiltres ayant un diamètre allant de 500 à 10 μιη, avant d'être amené sur la membrane d'ultrafîltration.
Un flux 6 d'eau hypotonique est introduit dans la seconde unité de prétraitement 4. De préférence, le flux 6 est un flux d'eau de mer. Ladite unité de prétraitement 4 comprend de préférence au moins un dispositif d'ultrafîltration ou un filtre en profondeur. De préférence, la première unité de prétraitement 3 et la seconde unité de prétraitement 4 sont identiques.
Un flux d'eau de production prétraité 7 est obtenu en sortie de la première unité de prétraitement 3 et est introduit dans la première chambre 8 de l'unité d'osmose directe 2. Un flux prétraité 9 est obtenu en sortie de la seconde unité de prétraitement 4 et est introduit dans la seconde chambre 10 de l'unité d'osmose directe 2. La première chambre 8 et la seconde chambre 10 de l'unité d'osmose directe 2 sont séparées par une membrane d'osmose 11. La différence de pression osmotique entre les flux 7 et 9 provoque un phénomène d'osmose. Un flux d'eau exempt de tout soluté 12 diffuse à travers la membrane d'osmose 11 depuis la seconde chambre 10 vers la première chambre 8.
Un rétentat 14 est récupéré en sortie de la seconde chambre 10 de l'unité d'osmose directe 2. Ce rétentat 14 peut être rejeté de l'unité de production d'énergie 1 de manière appropriée.
Un perméat 13 est récupéré en sortie de la première chambre 8 de l'unité d'osmose directe 2. Il est introduit dans un moyen de production d'énergie 15. Ce moyen est de préférence une turbine couplée à un générateur. De l'énergie 17 est récupérée depuis le moyen 15, typiquement sous la forme d'un courant électrique, tandis que l'effluent 16 du moyen 15 peut être rejeté de l'unité de production d'énergie 1 de manière appropriée.
Sur la figure 2 est représenté un autre mode de réalisation du procédé de production d'énergie selon l'invention.
Dans ce mode de réalisation, le flux d'eau de production 5, après avoir traversé la première unité de prétraitement 3, est amené par la conduite 18 à la pompe 20 pour être porté à une première pression. Ce flux est alors amené par la conduite 22 dans un échangeur de pression 23 et il en ressort via la conduite 24 avant d'être introduit dans la première chambre 8 de l'unité d'osmose directe 2 par le biais de la pompe de circulation 25 et via la conduite 26. Le flux entre dans l'unité d'osmose à la pression Pc>
En parallèle, le flux 6 d'eau hypotonique, après avoir traversé la seconde unité de prétraitement 4, est amené par la conduite 19 à la pompe 21 pour être porté à une pression Pa. Ce flux est alors introduit dans la seconde chambre 10 de l'unité d'osmose directe 2 via la conduite 27.
En sortie de la première chambre 8 de l'unité d'osmose directe 2, le perméat 13 est séparé en deux parties : la première partie du flux est introduite comme décrit dans le mode de réalisation de la figure 1 dans un moyen de production d'énergie 15. La deuxième partie du flux est acheminée dans le conduit 28 vers l'échangeur de pression 23 où il est mis en contact avec le flux d'eau de production 22. L'effluent 29 de l'échangeur de pression 23 peut être rejeté de l'unité de production d'énergie 1 de manière appropriée.
Dans le contexte de la production de saumure, des modes de réalisation du procédé de production d'énergie selon l'invention sont identiques à ceux décrits par les figures 1 et 2, sauf que le flux 5 entrant dans le dispositif n'est pas un flux d'eau de production mais un flux de saumure.
La figure 3 représente un mode de réalisation du dispositif d'extraction d'hydrocarbures permettant la mise en œuvre du procédé de production d'énergie tel que décrit précédemment.
Le dispositif d'extraction d'hydrocarbures 30 comprend un moyen d'extraction 31, permettant d'extraire d'une formation souterraine un flux de production 32, un moyen de séparation 33, permettant de séparer ce flux de production 32 en au moins une fraction hydrocarburée 34 et une fraction aqueuse appelée eau de production. La fraction hydrocarburée 34 est valorisable.
Le dispositif d'extraction d'hydrocarbures 30 comprend également une unité d'osmose directe 2. Cette unité d'osmose directe 2 comprend une membrane d'osmose 11.
L'eau de production est introduite au moyen de la conduite 35 dans l'unité d'osmose directe 2, d'un côté de ladite membrane 11.
De l'eau hypotonique est introduite, au moyen de la conduite 36, de l'autre côté de la membrane 11.
Un perméat 13 et un rétentat 14 sont récupérés en sortie de l'unité d'osmose directe
2. Le dispositif d'extraction d'hydrocarbures 30 comprend en outre un moyen de production d'énergie 15, de préférence une turbine couplée à un générateur.
De l'énergie 17 est récupérée depuis le moyen 15, typiquement sous la forme d'un courant électrique, tandis l'effluent 16 du moyen 15 peut être rejeté du dispositif d'extraction d'hydrocarbures 30 de manière appropriée.
EXEMPLE
Un site d'extraction d'hydrocarbures peut créer jusqu'à 48 000 m par jour d'eau de production de salinité de 200 g/L. Les inventeurs ont montré, par le calcul, que la mise en œuvre du procédé selon l'invention pourrait produire une énergie allant de 0,6 MW à 0,9 MW en mettant en contact cette eau de production avec une eau de mer ayant une salinité de 35 g/L.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de production d'énergie comprenant les étapes consistant à :
- extraire d'une formation souterraine un flux de production et séparer ce flux en au moins une fraction hydrocarbonée et une fraction aqueuse appelée eau de production, ou bien extraire d'une formation souterraine un flux de saumure ;
- mettre en contact au moins une partie de l'eau de production ou de la saumure, dans une unité d'osmose directe, avec un côté d'une membrane d'osmose, dont l'autre côté est en contact avec une eau hypotonique, et
- récupérer l'énergie produite par osmose de l'eau à travers la membrane d'osmose.
2. Procédé de production d'énergie selon la revendication 1, comprenant les étapes consistant à :
- extraire d'une formation souterraine un flux de production ;
- séparer ce flux en au moins une fraction hydrocarbonée et une fraction aqueuse appelée eau de production,
- mettre en contact au moins une partie de l'eau de production, dans une unité d'osmose directe, avec un côté d'une membrane d'osmose, dont l'autre côté est en contact avec une eau hypotonique, et
- récupérer l'énergie produite par osmose de l'eau à travers la membrane d'osmose.
3. Procédé de production d'énergie selon la revendication 1, comprenant les étapes consistant à :
- extraire d'une formation souterraine un flux de saumure ;
- mettre en contact au moins une partie de la saumure, dans une unité d'osmose directe, avec un côté d'une membrane d'osmose, dont l'autre côté est en contact avec une eau hypotonique ;
- récupérer l'énergie produite par osmose de l'eau à travers la membrane d'osmose.
4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ladite eau hypotonique est de l'eau de mer.
5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une étape consistant à prétraiter l'eau de production ou la saumure dans une première unité de prétraitement avant de l'introduire dans l'unité d'osmose directe.
6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une étape consistant à prétraiter l'eau hypotonique dans une seconde unité de prétraitement avant de l'introduire dans l'unité d'osmose directe.
7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que, en sortie de l'unité d'osmose directe, on obtient un perméat sortant du compartiment dans lequel entre l'eau de production ou la saumure et un rétentat sortant du compartiment dans lequel entre l'eau hypotonique, et que la récupération de l'énergie produite par osmose de l'eau à travers la membrane d'osmose consiste à conduire le perméat dans une turbine qui, couplée à un générateur, produit de l'énergie électrique.
8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que le perméat est séparé en deux flux à la sortie de l'unité d'osmose :
- un premier flux, qui est conduit dans la turbine ; et
- un second flux, qui est ramené vers l'unité d'osmose directe.
9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que le second flux est amené dans un échangeur de pression pour augmenter la pression de l'eau de production ou de la saumure avant qu'elle entre dans l'unité d'osmose.
10. Dispositif d'extraction d'un fluide permettant la mise en œuvre du procédé de production d'énergie selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, comprenant :
- des moyens pour extraire d'une formation souterraine un fluide choisi parmi un flux de production et un flux de saumure ;
- si le fluide est un flux d'eau de production : des moyens pour séparer ce flux de production en au moins une fraction hydrocarburée et une fraction aqueuse appelée eau de production ; et
- une unité d'osmose directe comprenant une membrane d'osmose, un moyen pour introduire au moins une partie de l'eau de production ou de la saumure d'un côté de la membrane, un moyen pour introduire de l'eau hypotonique de l'autre côté de la membrane, et des moyens de récupération de l'énergie produite par osmose de l'eau à travers la membrane d'osmose.
11. Dispositif d'extraction d'hydrocarbures selon la revendication 10, permettant la mise en œuvre du procédé de production d'énergie selon l'une quelconque des revendications 1, 2 et 4 à 9, comprenant :
- des moyens pour extraire d'une formation souterraine un flux de production ;
- des moyens pour séparer ce flux de production en au moins une fraction hydrocarburée et une fraction aqueuse appelée eau de production ; et
- une unité d'osmose directe comprenant une membrane d'osmose, un moyen pour introduire au moins une partie de l'eau de production d'un côté de la membrane, un moyen pour introduire de l'eau hypotonique de l'autre côté de la membrane, et des moyens de récupération de l'énergie produite par osmose de l'eau à travers la membrane d'osmose.
12. Dispositif d'extraction de saumure selon la revendication 10, permettant la mise en œuvre du procédé de production d'énergie selon l'une quelconque des revendications 1 et 3 à 9, comprenant :
- des moyens pour extraire d'une formation souterraine un flux de saumure ;
- une unité d'osmose directe comprenant une membrane d'osmose, un moyen pour introduire au moins une partie de la saumure d'un côté de la membrane, un moyen pour introduire de l'eau hypotonique de l'autre côté de la membrane, et des moyens de récupération de l'énergie produite par osmose de l'eau à travers la membrane d'osmose.
13. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 10 à 12, caractérisé en que les moyens de récupération de l'énergie comprennent une turbine couplée à un générateur.
14. Utilisation d'eau de production ou de saumure, obtenue par extraction d'une formation souterraine, pour produire de l'énergie par osmose directe.
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Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2016046429A1 (fr) * 2014-09-26 2016-03-31 Abengoa Water, S.L. Procédé de traitement, de réutilisation et de réduction de flux industriels aqueux
WO2016037999A3 (fr) * 2014-09-08 2016-05-26 Applied Biomimetic A/S Procédé de génération d'électricité
WO2017149101A1 (fr) * 2016-03-04 2017-09-08 Applied Biomimetic A/S Processus de production d'électricité
JP2019209241A (ja) * 2018-06-01 2019-12-12 オルガノ株式会社 スクラバ排水の浄化装置及び方法並びに塩分濃度差発電システム
CN110914540A (zh) * 2017-07-12 2020-03-24 盐动力有限公司 发电方法
US10968128B2 (en) 2016-03-04 2021-04-06 Applied Biomimetic A/S Power generation process
US11231020B2 (en) 2017-07-12 2022-01-25 Saltkraft Aps Power generation process

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3978344A (en) 1973-11-12 1976-08-31 Jellinek Hans H G Osmosis process for producing energy
US4193267A (en) 1977-02-25 1980-03-18 Ben-Gurion University Of The Negev Research & Development Authority Method and apparatus for generating power utilizing pressure-retarded osmosis
WO2006122566A2 (fr) 2005-05-20 2006-11-23 Aquaporin Aps Membrane de filtrage de l'eau

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
NO314575B1 (no) * 2000-08-04 2003-04-14 Statkraft Sf Semipermeabel membran og fremgangsmate for tilveiebringelse av elektrisk kraft samt en anordning
GB0319042D0 (en) * 2003-08-13 2003-09-17 Univ Surrey Osmotic energy
NO329120B1 (no) * 2005-12-22 2010-08-30 Statkraft Dev As Fremgangsmate og system for a utfore vedlikehold pa en membran som har halvgjennomtrengelige egenskaper
US8545701B2 (en) * 2009-08-18 2013-10-01 Maher Isaac Kelada Induced symbiotic osmosis [ISO] for salinity power generation
NO332199B1 (no) * 2010-07-23 2012-07-23 Ecowat As Metode og apparat for samtidig gjenvinning av energi og rensing av vann.

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3978344A (en) 1973-11-12 1976-08-31 Jellinek Hans H G Osmosis process for producing energy
US4193267A (en) 1977-02-25 1980-03-18 Ben-Gurion University Of The Negev Research & Development Authority Method and apparatus for generating power utilizing pressure-retarded osmosis
WO2006122566A2 (fr) 2005-05-20 2006-11-23 Aquaporin Aps Membrane de filtrage de l'eau

Cited By (23)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106687686B (zh) * 2014-09-08 2019-04-30 应用仿生学有限公司 用于发电的方法和发电系统
WO2016037999A3 (fr) * 2014-09-08 2016-05-26 Applied Biomimetic A/S Procédé de génération d'électricité
CN106687686A (zh) * 2014-09-08 2017-05-17 应用仿生学有限公司 发电方法
CN110080960A (zh) * 2014-09-08 2019-08-02 应用仿生学有限公司 发电方法
US10100816B2 (en) 2014-09-08 2018-10-16 Applied Biomimetic A/S Electricity generation process
AU2015314347B2 (en) * 2014-09-08 2018-11-15 Applied Biomimetic A/S Electricity generation process
WO2016046429A1 (fr) * 2014-09-26 2016-03-31 Abengoa Water, S.L. Procédé de traitement, de réutilisation et de réduction de flux industriels aqueux
CN108779764A (zh) * 2016-03-04 2018-11-09 应用仿生学有限公司 发电方法
CN108779764B (zh) * 2016-03-04 2021-12-31 应用仿生学有限公司 发电方法
KR20190002438A (ko) * 2016-03-04 2019-01-08 어플라이드 바이오미메틱 에이/에스 발전 방법
WO2017149101A1 (fr) * 2016-03-04 2017-09-08 Applied Biomimetic A/S Processus de production d'électricité
KR102410905B1 (ko) * 2016-03-04 2022-06-17 어플라이드 바이오미메틱 에이/에스 발전 방법
US11231019B2 (en) 2016-03-04 2022-01-25 Applied Biomimetic A/S Electricity generation process
JP2019510160A (ja) * 2016-03-04 2019-04-11 アプライド・バイオミメティック・エイ／エス 発電方法
US10968128B2 (en) 2016-03-04 2021-04-06 Applied Biomimetic A/S Power generation process
AU2017226945B2 (en) * 2016-03-04 2021-11-04 Applied Biomimetic A/S Electricity generation process
US11231021B2 (en) 2017-07-12 2022-01-25 Saltkraft Aps Power generation process
US11231020B2 (en) 2017-07-12 2022-01-25 Saltkraft Aps Power generation process
CN110914540A (zh) * 2017-07-12 2020-03-24 盐动力有限公司 发电方法
EP3805162A4 (fr) * 2018-06-01 2021-12-15 Organo Corporation Dispositif de purification d'eau de drainage d'épurateur, procédé associé et système d'alimentation à gradient de salinité
CN112203989A (zh) * 2018-06-01 2021-01-08 奥加诺株式会社 洗涤器排水的净化装置和方法以及盐分浓度差发电系统
JP2019209241A (ja) * 2018-06-01 2019-12-12 オルガノ株式会社 スクラバ排水の浄化装置及び方法並びに塩分濃度差発電システム
JP7175636B2 (ja) 2018-06-01 2022-11-21 オルガノ株式会社 スクラバ排水の浄化装置及び方法並びに塩分濃度差発電システム

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Publication number Publication date
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