Brevet FR3037505A1 — 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 industrielles 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 3037505 2 hydrocarbures dans le réservoir, ce qui pose des problèmes de sécurité. Pour ces raisons, une concentration maximale de l'ordre de 200 ppm, voire de 100 ppm d'oxygène (ppm volumique) est admise. Il s'ensuit que sans traitement approprié, les fumées d' oxycombustion ne sont pas compatibles avec une utilisation en EOR. 5 On connaît un certain nombre de techniques permettant d'enlever l'oxygène d'un flux de CO2. Parmi ces techniques, on peut citer la séparation cryogénique par condensation partielle et la séparation par membrane. Mais ces techniques ne permettent pas de réduire suffisamment la teneur en oxygène pour atteindre les valeurs requises en EOR. 10 La purification par adsorption n'est pas non plus efficace car il n'existe pas d'adsorbant sélectif de l'oxygène dans le CO2. Citons enfin la distillation cryogénique, qui permet d'atteindre des teneurs très basses en oxygène mais consomme beaucoup d'énergie. Cette technique requiert en outre des investissements trop coûteux pour être implémentée sur un champ pétrolier. 15 Un problème qui se pose est dès lors de fournir un procédé de récupération d'hydrocarbures utilisant des fumées industrielles qui soit de mise en oeuvre plus simple et moins coûteuse que dans l'art antérieur. La solution de la présente invention est alors un procédé de récupération d'hydrocarbures à partir d'un premier réservoir, ledit procédé comprenant les étapes 20 suivantes : a) récupération de fumées industrielles contenant au moins 50 % de CO2 en volume, et de l'oxygène, b) oxydation d'un matériau métallique par au moins une partie de l'oxygène contenu dans les fumées industrielles récupérées à l'étape a) pour produire un gaz 25 d'assistance riche en CO2 et appauvri en oxygène, ledit gaz d'assistance contenant moins de 200 ppm d'oxygène en volume, c) injection d'au moins une partie dudit 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 : 3037505 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. - 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. 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 matériau métallique oxydé à l'étape b) comprend au moins un métal choisi parmi : le nickel, le cobalt, le cuivre, le fer, le manganèse, l'argent. 15 - le métal est sous forme élémentaire. - le métal est sous forme oxydée. - ledit procédé comprend en outre une étape de réduction du matériau métallique oxydé à l'étape b) pour régénérer ledit matériau métallique. - les fumées industrielles produites à l'étape a) comprend au moins un composé 20 choisi dans le groupe constitué de SOx et NON, ledit procédé comprenant entre les étapes a) et b) une étape de lavage des fumées industrielles avec une 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 une 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, et de l'oxygène, 3037505 4 une unité d'oxydation agencée en aval de ladite installation industrielle et configurée pour assurer l'oxydation d'un matériau métallique par au moins une partie de l'oxygène contenu dans lesdites fumées industrielles, l'unité d'oxydation 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 (02). Par « gaz riche en oxygène », on entend un gaz comprenant au moins 50 % d'oxygène en volume, de préférence au moins 80 % d'oxygène en volume, de préférence 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 25 exemple, le charbon, le gaz naturel, le fuel, les résidus pétroliers. La chaleur produite par la chaudière 10 est utilisée pour produire de la vapeur d'eau 12 qui peut servir à produire de l'électricité et/ou être utilisée en tant que telle, 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. 3037505 5 Dans le cadre de l'invention, les fumées industrielles 13 comprenant au moins 50 % de CO2, et de l'oxygène, de préférence moins de 10 % d'oxygène en volume, de 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 d'oxydation 20 afin d'enlever au moins une partie de l'oxygène desdites fumées industrielles 13. A noter que par « au moins une partie », on 10 entend au moins 50 %, voire la totalité ou la quasi-totalité des fumées 13. L'oxygène compris initialement dans les fumées 13 est utilisé dans l'unité d'oxydation comme oxydant dans une réaction chimique d'oxydation d'un matériau métallique 21. Au cours de la réaction d'oxydation, des atomes d'oxygène (0) se combinent avec le matériau métallique 21 pour former un oxyde métallique. Le matériau 15 métallique 21 joue le rôle d'agent désoxygénant. 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 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 20 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 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 25 d'assistance 23 est lui aussi maintenu sous forme gazeuse. Typiquement, l'étape d'oxydation est effectuée au sein de l'unité d'oxydation 20, dans un réacteur ou une ligne de gaz dédié dans laquelle un flux de fumées industrielles 13 circule au contact du matériau métallique 21 à oxyder. Le matériau métallique 21 peut se présenter sous forme monolithique, sous forme de mousse ou sous la forme d'un 30 matériau inerte chimiquement recouvert d'une couche de revêtement formée dudit 3037505 6 matériau métallique 21. On récupère en sortie de l'unité d'oxydation 20 le flux de gaz d'assistance 23. Avantageusement, le matériau métallique 21 est disposé sur un support solide formé d'une matière absorbante permettant d'accroître la capacité dudit matériau 5 métallique 21 à être oxydé. De préférence, le support solide est formé d'alumine, de silice, de titane, d'oxyde de zirconium, de cérine, d'oxyde de zinc ou d'une combinaison de plusieurs de ces éléments. Par exemple, le support solide peut se présenter sous la forme d'un gel de silice. L'utilisation d'un procédé d'oxydation pour enlever l'oxygène des fumées 10 industrielles 13 offre l'avantage d'être simple à mettre en oeuvre, tout en étant assez efficace pour produire un gaz d'assistance 23 riche en CO2 et dont la teneur en oxygène satisfait aux exigences d'une utilisation en EOR. Ainsi, on 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. 15 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 d'oxydation du matériau métallique 21 est typiquement mise en oeuvre à une température supérieure à celle du point triple du CO2, alors que la pression 20 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 matériau métallique 21 influe sur l'efficacité d'élimination de l'oxygène dans les fumées industrielles 13. De préférence, le matériau métallique 21 comprend au moins un métal choisi 25 parmi : le nickel (Ni), le cobalt (Co), le cuivre (Cu), le fer (Fe), le manganèse (Mn), l'argent (Ag). En effet, ces matériaux ont un pouvoir réducteur important. Il s'ensuit une augmentation de l'efficacité de la réaction d'oxydation et une augmentation de la quantité d'oxygène éliminée des fumées industrielles 13. Selon une première variante de l'invention, le métal est sous forme élémentaire. 30 Dans ce cas, la réaction d'oxydation a lieu selon l'équation suivante : 1/2 02+ M MO (où M = Ni, Co, Cu, Fe, Mn ou Ag). 3037505 7 Selon une deuxième variante, le métal est sous forme oxydée. Par exemple, l'oxyde métallique utilisé peut être de l'oxyde de cobalt (CoO), de l'oxyde de fer (FeO) ou de l'oxyde de manganèse (MnO). Les réactions d'oxydation ayant lieu s'écrivent alors respectivement : 5 1/2 02 ± 3 Co0 Co304, 1/2 02+ 2 FeO Fe2O3, 1A 02 ± MnO Mn02. Avantageusement, le procédé selon l'invention comprend en outre un cycle de réduction du matériau métallique 21 oxydé permettant de régénérer ledit matériau 10 métallique 21. Pour ce faire, après que le matériau métallique 21 a été oxydé, et avant qu'un nouveau flux de fumées industrielles 13 ne soit introduit dans l'unité d'oxydation 20, on peut introduire un gaz réducteur dans l'unité d'oxydation 20. De préférence, le gaz réducteur contient de l'hydrogène. A titre d'exemple, on peut réduire l'oxyde Mn203 afin de produire du MnO en tant qu'agent désoxygénant. 15 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 comprendre une unité de purification 30 afin d'enlever au moins une partie de NOx et/ou 20 SOx du flux de gaz de fumées 13. L'unité de purification est configurée pour mettre en oeuvre une étape de lavage des fumées 13 au moyen d'une solution aqueuse 31. La mise en contact du gaz d'assistance 13 avec la solution aqueuse 31 permet de transférer par absorption physique et/ou chimique les composés NOx et/ou SOx de la phase gazeuse vers la phase liquide. La solution aqueuse 31 peut comprendre de l'hydroxyde de sodium. 25 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 fumées 13. Avantageusement, l'installation de récupération d'hydrocarbures comprend une unité de compression 40 du flux de fumées 13 ou 33 en sortie de laquelle on récupère un 30 flux de fumées 43 comprimé, typiquement à une pression de l'ordre d'une à quelques centaines de bar. 3037505 8 L'installation selon l'invention peut aussi comprendre une unité de séchage 50 permettant l'élimination d'eau 52 pouvant se trouver sous forme de vapeur et/ou de gouttelettes dans le flux de gaz d'assistance 23. A noter qu'il est avantageux de mettre en oeuvre les étapes du procédé selon 5 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 basse et l'oxydation se fait d'autant plus efficacement que la pression du gaz d'assistance augmente. Selon le mode de réalisation considéré, on envoie donc un flux de fumées 13, 33 10 ou 43 dans l'unité d'oxydation 20 afin de traiter lesdites fumées et d'obtenir un gaz d'assistance à concentration réduite en oxygène. Selon l'invention, on met en oeuvre le gaz d'assistance 23 ou 53 riche en CO2 et appauvri en oxygène dans un procédé EOR consistant à extraire des hydrocarbures d'un premier réservoir 60 situé dans le sous-sol. Par « réservoir », on entend un réservoir 15 géologique, ou gisement, situé dans le sous-sol et dans lequel sont piégés les hydrocarbures. Pour ce faire, l'unité d'oxydation 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 ou 53 est injectée dans le premier réservoir 60. Par « au moins une 20 partie », on entend au moins 50 %, voire la totalité ou la quasi-totalité du gaz d'assistance, le gaz d'assistance pouvant être injecté pur ou mélangé avec un autre gaz. Il s'ensuit une augmentation de la pression dans le réservoir 60 ainsi qu'une réduction de la viscosité des hydrocarbures contenus dans le premier réservoir 60, si bien que le déplacement des hydrocarbures 63 jusqu'au puits de production 62 est facilité. 25 Un mode de réalisation particulièrement avantageux de l'invention consiste à utiliser au moins une partie de la vapeur d'eau 12 produite par la chaudière 10 en EOR. Selon le cas, la vapeur d'eau 12 peut être injectée dans le premier réservoir 60 et/ou dans un deuxième réservoir d'hydrocarbures (non illustré) différent dudit premier réservoir 60. Ceci peut être intéressant dans les régions qui présentent des réservoirs d'hydrocarbures 30 de natures différentes et qui requièrent l'utilisation de gaz d'assistance différents. 3037505 9 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 5 d'assistance injecté dans le premier réservoir 60 est séquestré au moins temporairement dans le sous-sol, ce qui contribue également à réduire les émissions atmosphériques de CO2. 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) oxydation d'un matériau métallique par 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 contenant moins 10 de 200 ppm d'oxygène en volume, c) injection d'au moins une partie dudit 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. 3037505 11 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 que le matériau métallique oxydé à l'étape b) comprend au moins un métal choisi parmi : le nickel, le cobalt, le cuivre, le fer, le manganèse, l'argent. 8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que le métal est sous forme élémentaire. 9. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que le métal est sous forme oxydée. 10. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit procédé comprend en outre une étape de réduction du matériau métallique oxydé à l'étape b) pour régénérer ledit matériau métallique. 11. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les fumées industrielles produites à l'étape a) comprend au moins un composé choisi dans le groupe constitué de SON et NON, ledit procédé comprenant entre les étapes a) et b) une étape de lavage des fumées industrielles avec une solution aqueuse pour enlever au moins une partie de SON et/ou NON dudit gaz d'assistance. 12. Procédé selon l'une des revendications 5 à 11, caractérisé en ce que le premier combustible carboné est choisi parmi : le charbon, le gaz naturel, le fuel, les résidus pétroliers. 13. Installation de récupération d'hydrocarbures à partir d'un premier réservoir, ladite installation étant configurée pour mettre en oeuvre un procédé selon l'une des revendications 1 à 12 et comprenant : 3037505 12 une installation industrielle configurée pour produire des fumées industrielles contenant au moins 50 % de CO2, et de l'oxygène, une unité d'oxydation agencée en aval de ladite installation industrielle et configurée pour assurer l'oxydation d'un matériau métallique par au moins une partie de 5 l'oxygène contenu dans lesdites fumées industrielles, l'unité d'oxydation et le premier réservoir étant relié fluidiquement via un puits d'injection. 14. Installation- selon la revendication 13, caractérisé en ce que ladite installation 10 industrielle est une chaudière à oxycombustion.