Brevet FR3037503A1 — publié le 20161223

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 3037503 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, a) combustion d'un deuxième combustible avec au moins une partie de l'oxygène contenu dans les fumées industrielles récupérées à l'étape a) pour produire un 25 gaz d'assistance riche en CO2 et appauvri en oxygène, ledit gaz d'assistance comprenant moins de 200 ppm d'oxygène en volume, b) 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 : 3037503 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 premier 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. - le deuxième combustible est à l'état solide. - le deuxième combustible est un composé carboné. 15 - le deuxième combustible est un résidu d'un procédé sidérurgique. - le deuxième combustible est à l'état gazeux. - le deuxième combustible est choisi parmi : l'hydrogène, les hydrocarbures sous forme gazeuse. - le gaz d'assistance produit à l'étape b) comprend au moins un composé choisi dans le 20 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 enlever au moins une partie de SOx et/ou NON dudit gaz d'assistance. le premier combustible carboné est choisi parmi : le charbon, le gaz naturel, le fuel, les résidus pétroliers. 25 L'invention porte également sur un installation de récupération d'hydrocarbures à partir d'un premier réservoir, ladite installation étant configurée pour mettre en oeuvre un procédé selon l'invention et comprenant : une installation industrielle configurée pour produire des fumées industrielles contenant au moins 50 % de CO2 en volume, et de l'oxygène, 3037503 4 une unité de combustion agencée en aval de ladite installation industrielle et configurée pour assurer la combustion d'un deuxième combustible avec au moins une partie de l'oxygène contenu dans lesdites fumées industrielles, l'unité de combustion et le premier réservoir étant relié fluidiquement via un puits 5 d'injection. De façon avantageuse, ladite installation industrielle est une chaudière à oxycombustion. 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 10 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 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 15 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. Les fumées industrielles 13 sont récupérées à partir d'une installation industrielle 10 consistant en une chaudière à oxycombustion. La chaudière à oxycombustion 10 20 produit de la chaleur par combustion d'un combustible carboné 11 avec un gaz 14 riche en oxygène, c'est-à-dire comprenant au moins 50 % d'oxygène en volume, de préférence au moins 80 % d'oxygène en volume, de préférence 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, 25 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, notamment en EOR. En effet, l'injection de vapeur d'eau dans un réservoir d'hydrocarbures permet de réduire la viscosité et de vaporiser une fraction de ces 30 hydrocarbures. 3037503 5 Dans le cadre de l'invention, les fumées industrielles 13 comprennent au moins 50 % de CO2, et de l'oxygène, de préférence moins de 10 % d'oxygène en volume, de 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 5 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 pour les envoyer dans une unité de combustion 20 afin d'enlever au moins une partie de l'oxygène desdites fumées industrielles 13. A noter que par « au moins une partie », 10 on entend au moins 50 %, voire la totalité ou la quasi-totalité des fumées 13. L'oxygène compris initialement dans les fumées 13 y est utilisé comme comburant dans une réaction chimique de combustion avec un deuxième combustible 21. 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. Typiquement, l'étape de combustion est effectuée au sein de l'unité de combustion 20 au moyen du deuxième combustible 21 réagissant avec l'oxygène des 25 fumées 13 dans un réacteur dédié. Un mélange entre les fumées 13 et le deuxième combustible 21 est réalisé in situ, soit dans le réacteur de l'unité de combustion 20, soit en amont du réacteur, par exemple dans une chambre de mélange reliée, d'une part, à la chaudière à oxycombustion de manière à en récupérer des fumées 13 et, d'autre part, à une source de deuxième combustible 21. 30 L'utilisation d'un procédé de combustion pour enlever l'oxygène des fumées industrielles 13 offre l'avantage d'être simple à mettre en oeuvre, tout en étant assez 3037503 6 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 récupère en sortie de l'unité de combustion 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. 5 Grâce à l'invention, il n'est pas nécessaire de recourir à des techniques complexes 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 combustion du deuxième combustible 21 est typiquement mise en oeuvre à une température supérieure à celle du point triple du CO2, alors que la 10 pression partielle de CO2 dans les fumées 13 est inférieure à celle du point triple du CO2. Par exemple, la pression des fumées industrielles 13 est proche de la pression atmosphérique. La nature du deuxième combustible 21 influe sur l'efficacité d'élimination de l'oxygène dans les fumées industrielles 13. 15 Selon une première variante de l'invention, le deuxième combustible 21 est à l'état solide. De préférence, le deuxième combustible se présente sous la forme de poudre, i. e. de fines particules. Ceci permet d'augmenter la surface de contact entre le deuxième combustible 21 et les fumées industrielles 13. Il s'ensuit une augmentation de l'efficacité du phénomène de combustion et une augmentation de la quantité d'oxygène 20 éliminée des fumées industrielles 13. L'efficacité de la combustion est d'autant plus grande que les particules sont fines. Il est avantageux d'utiliser des composés carbonés en tant que deuxième combustible 21, en particulier des résidus de procédés sidérurgiques. A ce titre, le deuxième combustible 21 peut en outre comprendre des particules métalliques telles 25 que des particules de fer ou d'acier. Un avantage découlant de l'utilisation des résidus carbonés est que la réaction de combustion du deuxième combustible 21 en présence d'oxygène génère du CO2 additionnel, ce qui contribue à produire un gaz d'assistance 23 légèrement enrichi en CO2. 3037503 7 Selon une deuxième variante, le deuxième combustible 21 est à l'état gazeux. Le deuxième combustible 21 peut être choisi parmi : l'hydrogène, les hydrocarbures sous forme gazeuse, par exemple le gaz naturel, le butane, le propane, le méthane. A noter que selon l'invention, les premier et deuxième combustibles 11, 21 5 peuvent être identiques. 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 afin d'enlever au moins une partie de NOx et/ou SOx du flux de gaz d'assistance 23. L'unité de purification 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 absorption physique et/ou chimique les composés NOx et/ou 15 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 flux de gaz d'assistance 23. 20 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. L'installation selon l'invention peut aussi comprendre une unité de séchage 50 25 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 gaz d'assistance 23 ou 33 est d'autant plus facile que la pression du gaz d'assistance est 30 basse et le séchage se fait d'autant plus efficacement que la pression du gaz d'assistance augmente. 3037503 8 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 hydrocarbures d'un premier réservoir 60. Par « réservoir », on entend un réservoir géologique, ou gisement, situé dans le sous-sol et dans lequel sont piégés les 5 hydrocarbures. Pour ce faire, l'unité de combustion 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 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 10 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 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 15 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. 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. 20 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 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 25 dans le sous-sol, ce qui contribue également à réduire les émissions atmosphériques de CO2. 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) combustion d'un deuxième combustible avec au moins une partie de l'oxygène contenu dans les fumées industrielles récupérées à l'étape a) pour produire un gaz d'assistance riche en CO2 et appauvri en oxygène, ledit gaz d'assistance comprenant 10 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. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les fumées industrielles 15 récupérées à l'étape a) comprennent au moins 70 % de CO2 en volume, de préférence au moins 80 % de CO2 en volume. 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 20 volume, de préférence moins de 5 % d'oxygène en volume. 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. 25 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit procédé comprend en outre, préalablement à l'étape a) de récupération des fumées, une étape de combustion d'un premier combustible carboné avec un gaz riche en oxygène pour produire lesdites fumées industrielles et de la vapeur d'eau. 3037503 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. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'à l'étape b) de combustion, le deuxième combustible est à l'état solide. 8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que le deuxième combustible est un composé carboné. 10 9. Procédé selon l'une des revendications 7 ou 8, caractérisé en ce que le deuxième combustible est un résidu d'un procédé sidérurgique. 10. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'à l'étape b), le deuxième combustible est à l'état gazeux. 11. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que le deuxième combustible est choisi parmi : l'hydrogène, les hydrocarbures sous forme gazeuse. 12. 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 une partie de SOx et/ou NOx dudit gaz d'assistance. 13. Procédé selon l'une des revendications 5 à 12, caractérisé en ce que le premier combustible carboné est choisi parmi : le charbon, le gaz naturel, le fuel, les résidus pétroliers. 3037503 11 14. 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 13 et comprenant : une installation industrielle configurée pour produire des fumées 5 industrielles contenant au moins 50 % de CO2 en volume, et de l'oxygène, une unité de combustion agencée en aval de ladite installation industrielle et configurée pour assurer la combustion d'un deuxième combustible avec au moins une partie de l'oxygène contenu dans lesdites fumées industrielles, l'unité de combustion et le premier réservoir étant relié fluidiquement via un puits 10 d'injection. 15. Installation selon la revendication 14, caractérisé en ce que ladite installation industrielle est une chaudière à oxycombustion. 15