Brevet FR2808223A1 — publié le 20011102

'invention concerne un procédé de purification d'une charge contenant du gaz carbonique et des hydrocarbures gazeux et liquide provenant d'au moins un puits de production mis en production une injection de gaz carbonique. La récupération assistée du pétrole est largement utilisée dans l'industrie pétrolière pour récupérer pétrole brut restant en place dans un réservoir après sa production naturelle ou forcée ou pour récupérer du pétrole lourd qui est trop visqueux pour s'écouler naturellement ou artificiellement grace à des moyens de pompage peu sophistiqués. La vapeur d'eau demeure à ce jour le vecteur le plus largement utilisé pour balayer efficacement des réservoirs de pétrole brut, mais de plus en plus de programmes de production mettent en oeuvre une injection de gaz carbonique (C02), voire d'azote, pour produire du pétrole. Ainsi, le gaz carbonique peut s'avérer dans les prochaines années un gaz particulièrement intéressant, dans la mesure où il peut être utilisé par les producteurs pour la récupération assistée du pétrole. La technique de récupération assistée du pétrole par le balayage au gaz carbonique (C02) introduit dans un puits d'injection s'avère efficace pour diminuer la viscosité du pétrole en place et augmenter sa mobilité, ce qui facilite sa récupération. Ainsi, une partie du gaz carbonique injecté est dissoute dans la solution de pétrole brut et est donc récupérable avec le pétrole lors de sa production pour être recyclé ultérieurement. Mais une partie non négligeable de COZ est séquestrée dans le réservoir. Ce phénomène de séquestration du COZ participe ainsi à la diminution des émissions de COz dans l'atmosphère responsables de l'effet serre et du réchauffement de la planète. Pour le producteur, cet avantage est plutôt un inconvénient puisqu'une partie du injecté est irrémédiablement perdue. Il s'avère donc nécessaire de compenser les pertes de COZ dues à sa séquestration dans le réservoir par un appoint, ce qui forcément a un coût. Par ailleurs, le courant de COZ produit est récupéré avec les hydrocarbures un puits de production. Ce courant gazeux et liquide sous pression est séparé dans des séparateurs gaz- liquides et on obtient des hydrocarbures C3' d'une part et du COZ d'autre contenant une quantité substantielle de méthane et un peu moins d'éthane. Ces impuretés peuvent représenter 5 à 12 % molaire de l'ensemble. Dans certains cas où des pétroles bruts acides sont produits, le associé peut aussi renfermer de l'hydrogène sulfuré que l'on retrouve en partie comme impureté (quelques pour-cent par exemple). pourrait être envisagé de réinjecter ce courant de C02 impur contenant le méthane et l'éthane dans le réservoir mais cela affecterait la pression de saturation du réservoir, ce qui n'est pas prudent. On pourrait aussi mélanger ce courant de C02 impur avec du COZ pur provenant d'une source extérieure ou avec d'autres hydrocarbures plus lourds que les impuretés de façon à le diluer et contrebalancer la volatilité du méthane, mais ces solutions techniques sont très coûteuses. sévère fractionnement cryogénique pourrait être mis en oeuvre pour extraire méthane et l'éthane du C02 et recycler ensuite ce C02 dans le réservoir. Cette séparation s'avère aussi très chere. I1 existe bien des solvants capables d'absorber le C02 préférentiellement aux hydrocarbures, mais ces solvants absorberaient très facilement l'hydrogène sulfuré présent, ce qui produirait du C02 pollué par du HZS. A notre connaissance, il ne semble pas exister une technique de séparation peu couteuse et non nuisible sur le plan de l'environnement. Un premier objet de l'invention est de séparer le gaz carbonique des impuretés hydrocarbonées qu'il contient. Un second objet est de recycler ce gaz carbonique sensiblement pur dans un puits d'injection afin de mettre en oeuvre un procédé de récupération assistée de pétrole contenu dans un reservoir. Un troisième objet est de réaliser une combustion de ces impuretés et de récupérer chaleur de combustion. autre objet est de récupérer les effluents de combustion afin de les recycler avec COZ purifié dans un puits d'injection d'hydrocarbures et de ce fait, de diminuer les émissions de C02 et de dioxyde de soufre (S02) dans l'atmosphère. manière plus détaillée, l'invention concerne un procédé de purification d'un effluent diphasique GlL contenant du gaz carbonique et des hydrocarbures gazeux et liquides provenant moins un puits de production d'hydrocarbures mis en production par une injection de gaz carbonique (C02), dans lequel a) on fait circuler au moins une fois ledit effluent G/L sous pression dans au moins un séparateur principal gaz-liquide et on récupère des hydrocarbures C3+ et un effluent gazeux contenant une majeure partie de gaz carbonique C02 et une mineure partie de méthane et d'éthane, le procédé étant caractérisé en ce que b) on réalise une combustion sous pression de l'effluent gazeux en présence d'un gaz contenant de l'oxygène dans un réacteur de combustion et on récupère un effluent de combustion enrichi en gaz carbonique et en vapeur d'eau, c) on refroidit au moins une fois ledit effluent de combustion pour récupérer de la chaleur, d on recycle l'effluent de combustion refroidi sous pression dans un puits d'injection grâce à moyens de recyclage. Un des avantages importants du procédé est de pouvoir réinjecter dans le cadre de la mise oeuvre du procédé de récupération assistée du pétrole, du gaz carbonique sensiblement pur, celui qui a été purifié de ses impuretés plus celui qui provient de la combustion des dites impuretés. minimise ainsi le coût de l'appoint de C02, on diminue parallèlement les rejets de C02 et éventuellement de S02 dans l'atmosphère et on peut récupérer l'énergie de combustion des polluants. Selon une caractéristique du procédé, on peut contrôler l'accroissement de température du réacteur de combustion dû à l'exothermicité de la réaction de combustion par échange indirect de chaleur de l'effluent de combustion avec un fluide caloporteur. Selon une autre caractéristique du procédé, on peut séparer, après l'étape (c de refroidissement l'eau condensée de l'effluent de combustion refroidi dans un séparateur H20/CO2 et on récupère. Selon une première variante du procédé, le gaz contenant de l'oxygène utilisé comme comburant peut être de l'air. Il peut être préférable que le réacteur de combustion renferme un catalyseur lorsque les hydrocarbures sont en très faible quantité, par exemple inférieure à 4 %. température de combustion peut être alors abaissée entre 600 et 800 C par exemple et la formation d'oxydes d'azote minimisée. Selon un mode de cette première variante, l'effluent de combustion enrichi en gaz carbonique et en vapeur d'eau résultant de la combustion dans l'air de l'effluent gazeux de l'étape (a contient de l'azote que l'on sépare au moins en partie du gaz carbonique, après l'étape (c de refroidissement et de préférence, après l'étape subséquente de séparation de l'eau condensée. La séparation par distillation cryogénique de l'azote de l'effluent de combustion contenant essentiellement du C02 et N2 peut être effectuée plus facilement que celle de l'azote et de l'oxygène de l'air en amont du réacteur de combustion puisqu'il existe une différence de températures d'ébullition de 117 C dans le cas de la séparation N2-CO2 alors qu'elle est de 13 C seulement dans le cas de la séparation N2-02. Selon une deuxième variante du procédé, le gaz contenant de l'oxygène peut être de l'oxygène sensiblement pur, par exemple avec moins de 10 % d'impuretés. On évite alors formation d'oxydes d'azote. Le réacteur de combustion peut contenir un catalyseur. Selon une caractéristique de cette variante, on peut séparer l'azote contenu dans l'air comprimé afin de recueillir l'oxygène sensiblement pur dans une unité de séparation adéquate disposée en amont du reacteur de combustion. L'effluent contenant le gaz carbonique et les hydrocarbures qui proviennent puits de production peut contenir de l'hydrogène sulfuré. La combustion de ce gaz dans le réacteur délivre du S02. L'etape de séparation de l'eau dans le séparateur H20/CO2 après le refroidissement de l'effluent de combustion peut comprendre une étape de lavage qui permet de récupérer un effluent contenant l'eau et du S02. Cette étape de lavage peut comprendre, de plus, un échange direct de chaleur entre l'effluent de combustion en partie refroidi et de l'eau froide, ce qui contribue à son refroidissement final. Une partie de l'eau condensée qui a été récupérée dans le séparateur H20/CO2 peut être refroidie par échange indirect et recyclée en tête du séparateur H20/CO2 pour effectuer lavage de l'effluent contenant le S02.. II est préférable d'introduire les hydrocarbures et le gaz carbonique sortant du puits production dans un séparateur principal gaz liquide. On récupère d'une part en fond dudit séparateur une première fraction contenant les hydrocarbures liquides C3+ et en tête, une seconde fraction contenant du gaz carbonique et une mineure partie d'hydrocarbures, on comprime ladite seconde fraction et on fait circuler la seconde fraction comprimée dans un moyen de séparation secondaire gaz-liquide de façon à séparer ledit effluent gazeux des hydrocarbures C3+ restants. Ce moyen de séparation secondaire peut être un séparateur conventionnel ou un organe réfrigérant couplé à un séparateur gaz-liquide. Selon une autre caractéristique, il peut être avantageux d'introduire appoint de combustible dans le réacteur de combustion, de façon à maintenir le niveau de température du réacteur de combustion à un niveau sensiblement constant. Le combustible peut etre du GPL provenant du séparateur secondaire par exemple, un flux riche en monooxyde de carbone et/ou en hydrogène sulfuré ou un gaz combustible provenant d'une autre source. Les conditions de mise en oeuvre du procédé sont généralement les suivantes - séparateur principal gaz associés/fraction C3+ # pression 1 à 20 bar, de préférence 2 à 10 bar (I bar = 105 Pa) # température 10 à 80 C et de préférence 20-40 C - séparateur froid secondaire gaz C3+/résiduel # pression 5 à 20 bar # température -30 à 10 C - réacteur de combustion éventuellement catalytique a) sans catalyseur et avec oxygène, par exemple # séparateur 02/N2 par distillation cryogénique # pression 5 à 20 bar # température 500 à 1000 C ou b) avec catalyseur et air, par exemple # pression 3 à 8 bar # température 450 à 800 C, de préférence 500 à 600 C # catalyseur : extrudés ou billes céramiques( alumine par exemple, comprenant au moins un métal noble (Pt, Pd).ou du nickel # vitesse spatiale 2000 à 10 000 vol./vol./h - échangeur de chaleur # température à l'entrée du réacteur 300 à 700 C, de préférence 450 C à 600 C par exemple # séparateur N2/CO2 par distillation cryogénique_ L'invention sera mieux comprise au vu de la figure 1 illustrant schématiquement un mode avantageux de mise en oeuvre du procédé selon lequel on réalise la purification du CO2 par une combustion sous pression des impuretés en présence d'oxygène sensiblement pur. Selon la figure 1, un effluent G/L 2 comprenant du pétrole brut mis en production notamment par injection de gaz carbonique par au moins un puits d'injection 29 dans un réservoir non représenté sur la figure, est produit sous pression au moyen d'un puits de production 1. Cette effluent hydrocarboné associé à des gaz et à du gaz carbonique est séparé dans un séparateur 3 principal de production, à plusieurs étapes. Des hydrocarbures C3+ sont récupérés par une ligne 5 pour des traitements de raffinage conventionnels, tandis qu'en tête du séparateur, les gaz contenant du gaz carbonique, du méthane, de l'éthane et des hydrocarbures C3' restants sont collectés par ligne 4 et comprimés par un compresseur 6 pour être introduits dans un séparateur 8 secondaire qui peut être un absorbeur par solvant réfrigéré ou un condenseur réfrigéré. L'eau contenue les gaz peut être éliminée avant si le séparateur est un condenseur réfrigéré. Des hydrocarbures C3+ sont récupérés par une ligne 9 tandis qu'un effluent gazeux est recueilli tête par une ligne 10, contenant du gaz carbonique en majeure partie et des impuretes, 2 à 10 % volume par exemple, sous forme de méthane principalement et de traces d'hydrocarbures en CZ et C3, voire de l'hydrogène sulfuré résiduel, si le pétrole produit est acide. Cet effluent gazeux est chauffé par échange indirect dans un échangeur de chaleur 11 dont la sortie connectée à une ligne 12 d'introduction de l'effluent dans la partie supérieure d'un réacteur 13 combustion, contenant éventuellement un lit de catalyseur fixe par exemple décrit dans l'ouvrage Gas purification de A. Kohl et F. Riesenteld, 4'@me édition, pages 767-783. Ce réacteur 13 sensiblement cylindrique est alimenté en tête par une ligne 18 d'air enrichi oxygène ou en oxygène sensiblement pur. Une ligne de sortie 15 du compresseur 14 communique avec un séparateur NZ/OZ 16 et la pression appropriée du compresseur fournit l'énergie pour séparation N2/02 par auto-réfrigération ou diffusion par membrane. Dans le cas d'un séparateur cryogénique, l'oxygène liquide est produit à une pression de combustion après plusieurs échanges de chaleur non représentés. L'azote contenant une quantité mineure d'oxygène est évacué du séparateur 16 par une ligne 17. Un échangeur de chaleur 30, à tubes par exemple, à l'intérieur du réacteur, génère de la vapeur haute pression par une ligne 20 à partir d'une ligne 19 d'introduction de fluide et absorbe ainsi la chaleur de combustion. On contrôle de ce fait l'augmentation de température due à l'exothermicité de la réaction, à un niveau acceptable et on récupère l'énergie de combustion. Un combustible d'appoint, du fuel gaz par exemple, provenant du traitement de la ligne 9 peut être introduit par une ligne 9a dans le réacteur 13 via la ligne 10 pour maintenir un niveau sensiblement constant, bien que faible, d'hydrocarbures dans le gaz d'alimentation du réacteur, pendant au moins une partie de la vie du projet de récupération assistée dans le réservoir pétrolifère. Un effluent 21 de combustion très chaud en fond du réacteur, consistant essentiellement en C02 et en une faible quantité, si c'est le cas, d'azote ou d'oxygène, d'hydrocarbures non convertis et de vapeur d'eau, est refroidi dans l'échangeur indirect de chaleur 11 avec le gaz froid la ligne 10 et dans d'autres échangeurs indirects de chaleur 22 et 23 jusqu'à une température ambiante. L'eau produite par la combustion est condensée dans un séparateur 24 connecté à la ligne 21 de sortie de l'effluent de combustion, et récupérée par une ligne 25 en fond du séparateur. Lorsque le gaz de combustion 21 contient du dioxyde de soufre S02 provenant de combustion de l'hydrogène sulfuré, il est préférable de réaliser un refroidissement ultime de ce gaz de combustion par échange direct de chaleur avec de l'eau en injectant de l'eau froide par une ligne 31 en amont du séparateur 24 qui est un contacteur à colonne remplie d'un garnissage, des anneaux de Rashig par exemple. On augmente ainsi l'efficacité de contact. On diminue par ailleurs la perte de charge à la sortie de la colonne, ce qui contribue à économiser de la puissance de compression en aval. Le flux d'eau de combustion et de lavage est évacué au fond du contacteur, saturé en C02 et en SO,I, les limites de solubilité étant celles qui correspondent aux conditions de température et de pression dans le contacteur. Le flux gazeux de CO2sensiblement pur quittant en tête le séparateur 24 par une ligne 26 est comprimé par un compresseur 27 à un niveau de pression compatible à sa réinjection au moyen d'une ligne 28 dans un puits 29 d'injection, de façon à le recycler dans le réservoir et continuer le programme de récupération assistée d'hydrocarbures par balayage au C02. Selon une variante non illustrée par une figure, mais dont les mêmes moyens sont répertoriés par les mêmes références de la figure 1, le comburant du réacteur de combustion 13 amené par une ligne 18 sous pression grâce au compresseur 14 n'est plus de l'oxygène sensiblement pur, mais de l'air. Dans ce cas, l'effluent de combustion 21 à refroidir contient de la vapeur d'eau, du de l'azote, et des quantités faibles d'hydrocarbures non convertis et d'oxygène. De S02 peut aussi être présent. La séparation de l'eau de combustion et de S02 dissous est réalisée comme celle de la figure 1 dans une colonne 24 de lavage avec garnissage. L'eau récupérée dans la ligne 25 peut être recyclée en partie et refroidie en tête de colonne à l'aide d'un échangeur de chaleur indirect qui remplace celui référencé 23 dans la figure et cette eau contribue au refroidissement final à température ambiante du mélange CO2/N2, avec l'appoint d'eau froide amené par la ligne en tête de la colonne de lavage 24. L'autre partie de l'eau récupérée avec le S02 dissous peut être recyclée dans un puits d'injection d'eau grâce à une pompe. La séparation du mélange CO2[N2 en aval du réacteur de combustion peut s'effectuer par cryogénie après déshydratation complète, ce qui permet de récupérer de l'azote comprime ne contenant sensiblement pas d'oxygène qui peut être utilisé dans un autre programme de récupération assistée. Le gaz carbonique obtenu sous forme liquide ou gazeuse peut être pompé ou comprimé selon le cas après des échanges de chaleur dans le puits d'injection de CO2 pour continuer le programme de récupération assistée mis en oeuvre. Exemple Cas avec le séparateur d'azote en amont du réacteur de combustion. 100 moles/h d'un gaz C02 adouci associé à du méthane 10 % volume (Le. 10 moles/h est disponible à une pression de 8 bar (1 bar = 105 Pa) absolus. On purifie le gaz carbonique en éliminant le méthane par combustion avec de l'oxygène (98 volume) de façon à produire du gaz carbonique s'ajoutant au gaz carbonique à purifier et de l'eau. Par séparation cryogénique de l'air, on récupère 95 % d'oxygène à une pression convenable pour le réacteur de combustion. La réaction de combustion est réalisée à 625 C sous 8 bar absolus et le flux de C02 (ligne 26) contenant de l'eau est séparé à 38 C sous 7 bar absolus. Le tableau donne le bilan matière en moles/h. Comp Charge Air OZ N2 Effluent H20 C02 volume humide_ __humide lig 10 18 17 21 25 __ 26 90,0 100,0 0,5 99,5 CH4 10,0 trace trace 78,0 - 0,4 77,6 0,4 0,4 21,0 20,0 _ 1,0 trace - trace 1,0 _ . 1,0 20,0- 1 _ 0 Total 1 00,0 1 00,0 20,4 __ 79,6 l20,4 1 5 100.9 Kg/hr I 4120 2874 644 2230 4764 4382 La chaleur de combustion du méthane dégagée dans le réacteur correspond à 8,78 GJoule/h, ce qui permet de générer 3500 kg/h de vapeur à 60 bar, pour une augmentation de température de 25 C dans le réacteur. Cette quantité de vapeur peut fournir une puissance de 720 kW à partir d'une turbine à vapeur de 75 % de rendement. Le compresseur d'air requis pour la séparation N2/02 demandant une puissance de 270 kW, on bénéficie donc d'une puissance disponible de 450 kW. REVENDICATIONS 1. Procédé de purification d'un effluent diphasique G/L contenant du gaz carbonique et hydrocarbures gazeux et liquides provenant d'au moins un puits de production d'hydrocarbures mis en production par une injection de gaz carbonique, dans lequel a) on fait circuler au moins une fois ledit effluent G/L sous pression dans au moins séparateur principal (3) gaz-liquide et on récupère des hydrocarbures C3` (5) et un effluent gazeux (10) contenant une majeure partie de gaz carbonique (C02)et une mineure partie de méthane et d'éthane, le procédé étant caractérisé en ce que b) on réalise une combustion (13) sous pression de l'effluent gazeux en présence d'un gaz contenant de l'oxygène dans un réacteur de combustion et on récupère un effluent (21) de combustion enrichi en gaz carbonique et en vapeur d'eau, c) on refroidit (11,22) au moins une fois ledit effluent de combustion pour récupérer de chaleur, d) on recycle l'effluent de combustion refroidi sous pression dans un puits d'injection grâce à des moyens de recyclage (27,28). 2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel on contrôle l'accroissement de température réacteur dû à l'exothermicité de la réaction de combustion par échange indirect de chaleur entre l'effluent de combustion et un fluide caloporteur (30) pour récupérer l'énergie de combustion. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2 dans lequel on sépare après l'étape (c l'eau condensée de l'effluent de combustion refroidi dans un séparateur (24) H20/CO2 et on récupère. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3 dans lequel la combustion de l'effluent gazeux réalisée en présence d'un catalyseur. 5. Procédé selon la revendication 4 dans lequel l'effluent de combustion contient de l'azote et on sépare au moins en partie l'azote dudit effluent de combustion après l'étape (c). 6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3 dans lequel le gaz contenant de l'oxygène est de l'oxygène sensiblement pur. 7. Procédé selon l'une des revendications 3 à 6 dans lequel l'effluent G/L du puits de production contient de l'hydrogène sulfuré, l'étape de séparation de l'eau dans le séparateur comprend une étape de lavage de dioxyde de soufre (S02) résultant de la combustion de l'hydrogène sulfuré dans le réacteur de combustion et on récupère un effluent contenant de l'eau et la majeure partie au moins S02. 8. Procédé selon revendication 7 dans lequel l'étape de lavage S02 comprend un échange direct de chaleur l'effluent de combustion avec de l'eau froide. 9. Procédé selon l'une des revendications 3 à 8 dans lequel une partie de l'eau condensée qui a été récupérée refroidie par échange indirect et recyclée en tête séparateur. 10. Procédé selon l'une des revendications 1 à 9 dans lequel l'effluent du puits de production est introduit dans séparateur principal (3) gaz-liquide et on récupère d'une part en fond dudit séparateur (3) une première fraction (5) contenant les hydrocarbures liquides C3+ et en tête, une seconde fraction (4) contenant du gaz carbonique et une mineure partie d'hydrocarbures, on comprime (6) ladite seconde fraction et on fait circuler la seconde fraction comprimée dans un moyen de séparation secondaire (8 gaz-liquide de façon à séparer ledit effluent gazeux (10) des hydrocarbures C3y (9) restants. t 1. Procédé selon l'une des revendications 1 à 10 dans lequel on réchauffe ledit effluent gazeux (10) par échange indirect (11) de chaleur avec l'effluent (21) de réaction de combustion (étape b). 12. Procédé selon l'une des revendications 1 à 11 dans lequel on introduit un appoint de combustible dans le réacteur de combustion de façon à maintenir le niveau de température du réacteur de combustion à un niveau sensiblement constant.