GAUTHIER, Bernard (368 rue des Aulnes, Courtemaux, F-45320, FR)
PEDENAUD, Pierre (4 Chemin Ferret, Lescar, F-64230, FR)
DANG, Hung-Minh (26 rue du Hameau de l'hippodrome, Pau, F-64000, FR)
GAUTHIER, Bernard (368 rue des Aulnes, Courtemaux, F-45320, FR)
PEDENAUD, Pierre (4 Chemin Ferret, Lescar, F-64230, FR)
| REVENDICATIONS Procédé de traitement d'eau et de production de vapeur comprenant : - la fourniture d'une eau d'alimentation contenant des ions carbonates et / ou bicarbonates ; - le traitement de l'eau d'alimentation ; - l'alimentation d'une chaudière par l'eau d'alimentation traitée ; - la génération de vapeur dans la chaudière ; dans lequel le traitement de l'eau d'alimentation comprend la mise en contact de l'eau d'alimentation avec une composition gazeuse comprenant du dioxyde de carbone. Procédé selon la revendication 1 , dans lequel la chaudière produit un gaz de combustion qui fournit la composition gazeuse comprenant du dioxyde de carbone. Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la chaudière fonctionne en oxycombustion. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel la mise en contact de l'eau d'alimentation avec la composition gazeuse est effectuée à une température supérieure ou égale à 60°C, de préférence supérieure ou égale à 70°C, de manière plus particulièrement préférée supérieure ou égale à 80°C, et idéalement entre 85°C et 95°C. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel la composition gazeuse comprend au moins 5 % en volume de dioxyde de carbone, de préférence au moins 10 % en volume de dioxyde de carbone, de manière plus particulièrement préférée au moins 20 % en volume de dioxyde de carbone, et idéalement au moins 35 % en volume de dioxyde de carbone. 6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel le traitement de l'eau d'alimentation comprend également : - l'écumage de l'eau ; et / ou - le déshuilage de l'eau ; et / ou - le traitement de contaminants minéraux contenus dans l'eau par : ■ précipitation d'ions contenus dans l'eau et élimination de la matière précipitée, comprenant de préférence l'adoucissement de l'eau par injection de chaux ; et / ou ■ réduction de la teneur en minéraux de l'eau par échange ionique sur une résine échangeuse d'ions ; et / ou ■ traitement de l'eau par osmose inverse ; et / ou ■ traitement de l'eau par évaporation ; et / ou ■ injection d'agents de cristallisation et récupération d'espèces cristallisées ; et / ou ■ injection d'agents inhibiteurs de dépôt de silice. Installation de production de vapeur comprenant : - une chaudière (8) ; - un système d'alimentation en eau (13) connecté en entrée de la chaudière (8) ; - une ligne de soutirage de vapeur (9) connectée en sortie de la chaudière (8) ; le système d'alimentation en eau (13) comprenant une unité de décarbonatation de l'eau (6), qui comprend des moyens de mise en contact de l'eau avec une composition gazeuse comprenant du dioxyde de carbone. Installation selon la revendication 7, comprenant : - une ligne de soutirage de gaz de combustion (10) connectée en sortie de la chaudière (8) et alimentant l'unité de décarbonatation (6). Installation selon la revendication 7 ou 8, dans laquelle l'unité de décarbonatation (6) comprend : - un récipient de stockage d'eau ; - des moyens d'injection de composition gazeuse comprenant du dioxyde de carbone dans le récipient de stockage d'eau ; - des moyens de récupération de gaz émis (7). 10. Installation selon la revendication 7 ou 8, dans laquelle les moyens de mise en contact de l'eau avec une composition gazeuse comprenant du dioxyde de carbone comprennent une colonne à plateaux ou à garnissage et / ou un dispositif cyclonique et / ou un dispositif d'éjecteur et / ou venturi. 11. Installation selon l'une des revendications 7 à 10, dans laquelle le système d'alimentation en eau (13) comprend : - une unité d'écumage (2) ; et / ou - une unité de déshuilage (3) ; et / ou - des moyens de traitement des contaminants minéraux (4) comprenant : ■ des moyens de précipitation d'ions contenus dans l'eau et d'élimination de la matière précipitée, comprenant de préférence des moyens d'adoucissement de l'eau par injection de chaux ; et / ou une résine échangeuse d'ions ; et / ou ■ une unité d'osmose inverse ; et / ou ■ une unité d'évaporation ; et / ou ■ des moyens d'injection d'agents de cristallisation et de récupération d'espèces cristallisées et / ou ■ des moyens d'injection d'inhibiteurs de dépôt de silice. 12. Installation selon l'une des revendications 7 à 1 1 , dans laquelle la conduite de soutirage de vapeur (9) est connectée à une entrée d'un puits d'injection disposé dans une formation souterraine contenant des hydrocarbures. 13. Installation selon l'une des revendications 7 à 12, dans laquelle le système d'alimentation en eau (13) est alimenté au moins partiellement par une conduite de recyclage d'eau (1 ), connectée en sortie d'un système de récupération d'eau d'une installation de production d'hydrocarbures. 14. Installation selon l'une des revendications 7 à 13, comprenant une conduite de purge (14) connectée en sortie de la chaudière (8), ladite conduite de purge (14) alimentant optionnellement partiellement le système d'alimentation en eau (13). Procédé d'extraction d'hydrocarbures dans une formation souterraine, comprenant : - la production de vapeur selon le procédé de l'une des revendications 1 à 6 ; - l'injection de la vapeur produite dans au moins un puits d'injection disposé dans la formation souterraine ; - la récupération d'hydrocarbures et d'eau de production dans au moins un puits d'extraction disposé dans la formation souterraine ; et - le déshuilage de l'eau de production et l'utilisation de l'eau de production déshuilée en tant qu'eau d'alimentation dans le procédé de production de vapeur. |
DOMAINE DE L'INVENTION
La présente invention concerne un procédé de traitement d'eau pour la production de vapeur, ainsi que son application dans le cadre de la récupération assistée d'hydrocarbures. L'invention concerne également une installation de traitement d'eau pour la production de vapeur adaptée à la mise en œuvre du procédé ci-dessus.
ARRIERE-PLAN TECHNIQUE
L'exploitation des réserves mondiales d'huiles lourdes immobiles ou d'huiles mobiles de forte viscosité dont la situation dans les formations souterraines est trop profonde pour permettre une extraction à ciel ouvert nécessite le recours à des procédés thermiques. Ceux-ci fournissent de la chaleur au réservoir pour chauffer les hydrocarbures, réduire leur viscosité et les rendre plus mobiles pour leur production. Les principaux procédés thermiques existants sont :
- le drainage gravitaire assisté par la vapeur ;
- le drainage par la vapeur ; et
- la stimulation cyclique par la vapeur.
Le drainage gravitaire assisté par la vapeur (SAGD) est une technique de récupération thermique selon laquelle des paires de puits horizontaux injecteurs et producteurs sont forés dans la formation avec un espacement typique de 5 m environ. La vapeur est injectée pour chauffer les hydrocarbures et les mobiliser, afin qu'ils coulent vers les puits producteurs sous l'effet de la gravité, assistée par une zone de vapeur de taille croissante. Il s'agit de la technique de récupération thermique la plus utilisée pour les huiles extra-lourdes que l'on trouve dans les réservoirs de sables bitumineux.
Le drainage par la vapeur est une autre méthode selon laquelle de la vapeur est injectée en continu dans des puits dédiés (verticaux, inclinés ou horizontaux) situés autour, ou à côté, de puits producteurs selon une disposition prédéterminée.
La stimulation cyclique par la vapeur est un procédé à puits unique, dans lequel la vapeur est injectée pendant une certaine durée, puis est laissée imprégner la formation souterraine et chauffer les hydrocarbures. Enfin, les hydrocarbures chauffés et l'eau de condensation sont produits par le même puits pendant une certaine durée.
Pour tous ces procédés, on utilise de l'eau pour générer la vapeur, et la consommation d'eau associée à la génération de vapeur représente typiquement environ trois masses d'eau par masse d'hydrocarbures produits. La production thermique peut impliquer la consommation d'eau propre, mais des efforts importants sont accomplis pour maximiser le recyclage de l'eau sortant des puits producteurs. En général, on recycle entre 85 et 95 % de l'eau produite issue des puits de production.
Les dispositifs de génération de vapeur peuvent prendre plusieurs formes, qui comprennent généralement les générateurs de vapeur de type chaudières une passe (« once through ») et les chaudières conventionnelles de type ballon. Il est nécessaire de disposer d'eau de qualité acceptable pour alimenter les chaudières et les générateurs de vapeur.
Or, l'un des problèmes posés par la génération de vapeur est la présence notamment de contaminants minéraux dans l'eau, principalement les carbonates, les sulfates et la silice. Lorsque l'eau est chauffée et convertie en vapeur dans une chaudière, certains contaminants minéraux tels que la silice ou les sulfates ont tendance à rester dans la chaudière. La chaudière fonctionne en effet comme une unité de distillation, produisant de l'eau vaporisée pure tandis que les contaminants minéraux concentrés restent dans la chaudière et ont tendance à y former des incrustations. Ces incrustations agissent comme un isolant et réduisent l'efficacité de la chaudière. Elles peuvent ainsi conduire à une panne de la chaudière par surchauffe. En outre, les carbonates et bicarbonates peuvent favoriser le phénomène de primage de l'eau, c'est-à-dire l'entraînement de gouttes d'eau de chaudière dans la vapeur. Celles-ci peuvent polluer la vapeur et la rendre érodante vis à vis des parois qu'elle peut rencontrer. Les carbonates et bicarbonates peuvent également se décomposer en dioxyde de carbone sous l'effet de la température élevée dans la chaudière, et donner ainsi lieu à des phénomènes de corrosion acide.
Parmi les méthodes classiques d'élimination des contaminants minéraux de l'eau d'alimentation de la chaudière figurent la précipitation chimique, l'échange ionique, l'osmose inverse, l'électrodialyse, la distillation et la congélation.
En ce qui concerne plus particulièrement l'élimination des carbonates et bicarbonates, on utilise généralement l'acidification de l'eau par injection d'acide chlorhydrique pour convertir les carbonates et bicarbonates en dioxyde de carbone et / ou l'injection de chaux (« lime softening ») pour précipiter les carbonates et bicarbonates sous forme de carbonate de calcium.
Toutefois, ces méthodes impliquent l'utilisation de grandes quantités de produits chimiques.
Il existe donc un réel besoin d'améliorer le traitement de l'eau destinée à la production de vapeur et en particulier le traitement des carbonates et bicarbonates, en réduisant la consommation de produits chimiques. RESUME DE L'INVENTION
L'invention concerne en premier lieu un procédé de traitement d'eau et de production de vapeur comprenant :
- la fourniture d'une eau d'alimentation contenant des ions carbonates et / ou bicarbonates ;
- le traitement de l'eau d'alimentation ;
- l'alimentation d'une chaudière par l'eau d'alimentation traitée ;
- la génération de vapeur dans la chaudière ;
dans lequel le traitement de l'eau d'alimentation comprend la mise en contact de l'eau d'alimentation avec une composition gazeuse comprenant du dioxyde de carbone.
Selon un mode de réalisation, la chaudière produit un gaz de combustion qui fournit la composition gazeuse comprenant du dioxyde de carbone.
Selon un mode de réalisation, la chaudière fonctionne en oxycombustion.
Selon un mode de réalisation, la mise en contact de l'eau d'alimentation avec la composition gazeuse est effectuée à une température supérieure ou égale à 60°C, de préférence supérieure ou égale à 70°C, de manière plus particulièrement préférée supérieure ou égale à 80°C, et idéalement entre 85°C et 95°C.
Selon un mode de réalisation, la composition gazeuse comprend au moins 5 % en volume de dioxyde de carbone, de préférence au moins 10 % en volume de dioxyde de carbone, de manière plus particulièrement préférée au moins 20 % en volume de dioxyde de carbone, et idéalement au moins 35 % en volume de dioxyde de carbone.
Selon un mode de réalisation, le traitement de l'eau d'alimentation comprend également :
- l'écumage de l'eau ; et / ou
- le déshuilage de l'eau ; et / ou
- le traitement de contaminants minéraux contenus dans l'eau par :
■ précipitation d'ions contenus dans l'eau et élimination de la matière précipitée, comprenant de préférence l'adoucissement de l'eau par injection de chaux ; et / ou
■ réduction de la teneur en minéraux de l'eau par échange ionique sur une résine échangeuse d'ions ; et / ou
■ traitement de l'eau par osmose inverse ; et / ou
■ traitement de l'eau par évaporation ; et / ou
■ injection d'agents de cristallisation et récupération d'espèces cristallisées ; et / ou
■ injection d'agents inhibiteurs de dépôt de silice.
L'invention a également pour objet une installation de production de vapeur comprenant :
- une chaudière ;
- un système d'alimentation en eau connecté en entrée de la chaudière ;
- une ligne de soutirage de vapeur connectée en sortie de la chaudière ;
le système d'alimentation en eau comprenant une unité de décarbonatation de l'eau, qui comprend des moyens de mise en contact de l'eau avec une composition gazeuse comprenant du dioxyde de carbone.
Selon un mode de réalisation, l'installation comprend :
- une ligne de soutirage de gaz de combustion connectée en sortie de la chaudière et alimentant l'unité de décarbonatation.
Selon un mode de réalisation, l'unité de décarbonatation comprend :
- un récipient de stockage d'eau ;
- des moyens d'injection de composition gazeuse comprenant du dioxyde de carbone dans le récipient de stockage d'eau ;
- des moyens de récupération de gaz émis.
Selon un mode de réalisation, lesdits moyens de mise en contact de l'eau avec une composition gazeuse comprenant du dioxyde de carbone comprennent une colonne à plateaux ou à garnissage et / ou un dispositif cyclonique et / ou un dispositif d'éjecteur et / ou venturi.
Selon un mode de réalisation, le système d'alimentation en eau comprend :
- une unité d'écumage ; et / ou
- une unité de déshuilage ; et / ou
- des moyens de traitement des contaminants minéraux comprenant :
■ des moyens de précipitation d'ions contenus dans l'eau et d'élimination de la matière précipitée, comprenant de préférence des moyens d'adoucissement de l'eau par injection de chaux ; et / ou
une résine échangeuse d'ions ; et / ou
■ une unité d'osmose inverse ; et / ou
■ une unité d'évaporation ; et / ou
■ des moyens d'injection d'agents de cristallisation et de récupération d'espèces cristallisées et / ou
■ des moyens d'injection d'inhibiteurs de dépôt de silice.
Selon un mode de réalisation, la conduite de soutirage de vapeur est connectée à une entrée d'un puits d'injection disposé dans une formation souterraine contenant des hydrocarbures.
Selon un mode de réalisation, le système d'alimentation en eau est alimenté au moins partiellement par une conduite de recyclage d'eau, connectée en sortie d'un système de récupération d'eau d'une installation de production d'hydrocarbures.
Selon un mode de réalisation, l'installation comprend une conduite de purge connectée en sortie de la chaudière, ladite conduite de purge alimentant optionnellement partiellement le système d'alimentation en eau.
L'invention a également pour objet un procédé d'extraction d'hydrocarbures dans une formation souterraine, comprenant :
- la production de vapeur selon le procédé décrit ci-dessus ;
- l'injection de la vapeur produite dans au moins un puits d'injection disposé dans la formation souterraine ;
- la récupération d'hydrocarbures et d'eau de production dans au moins un puits d'extraction disposé dans la formation souterraine ; - le déshuilage de l'eau de production et l'utilisation de l'eau de production déshuilée en tant qu'eau d'alimentation dans le procédé de production de vapeur.
La présente invention permet de surmonter les inconvénients de l'état de la technique. Elle fournit plus particulièrement un procédé amélioré de traitement de l'eau destinée à la production de vapeur, et en particulier de traitement des carbonates et bicarbonates, qui entraîne une consommation réduite en produits chimiques.
Ceci est accompli grâce à la mise en contact de l'eau d'alimentation de la chaudière avec un flux gazeux comprenant du dioxyde de carbone, ce qui entraîne une décarbonatation acide de l'eau sans nécessairement utiliser d'acide chlorhydrique. Le flux gazeux comprenant du dioxyde de carbone peut être obtenu à partir de gaz émis par le procédé de génération de vapeur lui-même, notamment à partir d'un gaz de combustion, et tout particulièrement à partir du gaz de combustion issu de la chaudière.
Selon certains modes de réalisation particuliers, l'invention présente également une ou de préférence plusieurs des caractéristiques avantageuses énumérées ci-dessous.
- L'invention permet de concentrer le dioxyde de carbone émis dans l'ensemble du procédé de génération de vapeur incluant le traitement de l'eau, à l'issue de l'étape de décarbonatation de l'eau, et d'éviter a contrario l'émission de deux flux distincts de dioxyde de carbone (l'un au niveau de la chaudière et l'autre au niveau de la décarbonatation). La présence du dioxyde de carbone émis sous la forme d'un seul flux concentré permet de faciliter le traitement ultérieur de ce dioxyde de carbone en limitant le nombre d'équipements nécessaires ou leur taille, et en augmentant l'efficacité du traitement.
- Les composés chlorés, soufrés ou fluorés présents dans le gaz de combustion peuvent être captés dans l'eau d'alimentation de la chaudière au lieu d'être rejetés, ce qui diminue la nocivité des rejets éventuels dans l'atmosphère.
- L'invention peut être mise en œuvre avec une modification minimale des installations existantes.
- L'invention est particulièrement avantageuse dans le cas où l'eau d'alimentation de la chaudière contient une teneur élevée en carbonates et bicarbonates. BREVE DESCRIPTION DES FIGURES
La figure 1 représente de manière schématique un mode de réalisation d'une installation selon l'invention.
La figure 2 est un diagramme représentant l'évolution du pH en fonction du temps (en minutes sur l'axe des abscisses) de l'eau de production lors de la réaction de décarbonatation effectuée selon l'invention, et ce pour des débits de gaz de 10, 50 et 100 mL/min (voir exemple 2).
La figure 3 est un diagramme représentant la concentration de bicarbonates (en mol/L) dans l'eau de production avant la réaction de décarbonatation (barres en damier), à l'issue de la réaction de décarbonatation (barres blanches) et à l'issue de la réaction de décarbonatation après dégazage du CO2 résiduel dans l'eau (barres noires) pour différentes expériences (voir exemple 2). DESCRIPTION DE MODES DE REALISATION DE L'INVENTION
L'invention est maintenant décrite plus en détail et de façon non limitative dans la description qui suit.
Génération de vapeur
Selon la présente invention, et en faisant référence à la figure 1 , on produit de la vapeur dans une chaudière 8, dont une sortie est connectée à une conduite de soutirage de vapeur 9. La chaudière 8 peut être une chaudière conventionnelle de type ballon ou un générateur de vapeur « once through » (OTSG).
Les générateurs de vapeur « once through » produisent typiquement
80 % de vapeur et 20 % d'eau de purge, tandis que les chaudières dites conventionnelles (chaudières à tambour ou chaudières au charbon pulvérisé ou chaudières en lit fluidisé entraîné) ont un rendement de vaporisation voisin de 100 %.
Selon le type de chaudière, un flux d'eau de purge peut être récupéré en sortie de la chaudière 8, dans une conduite de purge 14.
La chaudière 8 est alimentée en eau qui est préalablement traitée afin de réduire la quantité des ions carbonates et bicarbonates présents dans l'eau. Ainsi, on prévoit un système d'alimentation en eau 13 pour fournir de l'eau à la chaudière.
Le système d'alimentation et de traitement en eau 13 comprend au moins une conduite d'amenée d'eau 1 . L'eau circulant dans la conduite d'amenée d'eau 1 contient des ions carbonates CO3 2" et / ou bicarbonates HCO3 " . Par exemple, l'eau circulant dans la conduite d'amenée d'eau 1 peut comprendre entre 50 et 10000, de préférence entre 100 et 5000 mg/L d'ions carbonates et bicarbonates. En général, cette eau contient également d'autres espèces minérales, notamment de la silice, des ions magnésium et calcium...
De manière schématique, le système d'alimentation en eau 13 comprend une unité de décarbonatation 6, et éventuellement d'autres moyens (complémentaires) de traitement de l'eau. Ces autres moyens de traitement de l'eau peuvent comprendre :
- une unité d'écumage 2 (qui permet un premier déshuilage) ;
- une unité de déshuilage 3 de type flottation ;
- des moyens de traitement des contaminants minéraux 4, comprenant par exemple des moyens de précipitation, des résines échangeuses d'ions et / ou des moyens d'évaporation.
En général, et en prenant comme référence le sens de circulation de l'eau, on dispose d'amont en aval : d'abord l'unité d'écumage 2 (si elle est présente), puis l'unité de déshuilage 3 (si elle est présente) et enfin les moyens de traitement des contaminants minéraux 4 et l'unité de décarbonatation 6. Selon les cas, les moyens de traitement des contaminants minéraux 4 peuvent être disposés en amont de l'unité de décarbonatation 6 (comme cela est représenté sur la figure 1 ), ou bien en aval de l'unité de décarbonatation 6, ou bien encore partiellement en amont et partiellement en aval de l'unité de décarbonatation 6 lorsque les moyens de traitement des contaminants minéraux 4 comprennent plusieurs parties.
Ainsi, en général, l'eau subit d'abord une étape d'écumage
(optionnelle) dans l'unité d'écumage 2, au cours de laquelle les matériaux en suspension (solides en suspension et gouttes d'hydrocarbures) sont retirés de l'eau. Une ligne de récupération d'hydrocarbures 1 1 peut ainsi être prévue en sortie de l'unité d'écumage 2. Ladite ligne de récupération d'hydrocarbures 1 1 est avantageusement dirigée vers un système de traitement et de collecte des hydrocarbures (non représenté).
Ensuite, l'eau subit une étape (optionnelle) de déshuilage dans l'unité de déshuilage 3 (de type flottation) afin de poursuivre et d'affiner le retrait des matériaux en suspension (principalement les gouttes d'hydrocarbures et éventuellement des solides en suspension). L'unité de déshuilage 3 est de préférence une unité de flottation à gaz induit, dans laquelle on fait dégazer un gaz dans l'eau. Les bulles de gaz adhèrent aux matériaux suspendus et les font remonter à la surface où ils peuvent être retirés avec des moyens d'écumage. Une ligne supplémentaire de récupération d'hydrocarbures 12 peut ainsi être prévue en sortie de l'unité de déshuilage 3. Ladite ligne supplémentaire de récupération d'hydrocarbures 12 est avantageusement dirigée vers un système de traitement et de collecte des hydrocarbures (non représenté).
Selon l'invention, le traitement de l'eau visant à éliminer les contaminants minéraux dissous comprend la décarbonatation de l'eau au sein de l'unité de décarbonatation 6.
Cette décarbonatation est effectuée en mettant en contact l'eau avec une composition gazeuse comprenant du dioxyde de carbone. Selon le mode de réalisation préféré illustré, cette composition gazeuse est issue du gaz de combustion issus de la chaudière 8. De préférence, la totalité du gaz de combustion issus de la chaudière 8 est mise en contact avec l'eau au cours de la décarbonatation.
La décarbonatation de l'eau est induite par le dioxyde de carbone contenu dans la composition gazeuse : le dioxyde de carbone se dissout dans l'eau pour former de l'acide carbonique H2CO3 ; et les ions bicarbonates HCO3 " réagissent avec l'acide carbonique pour produire du dioxyde de carbone selon la réaction suivante :
HCO3 " + H2CO3 H 2 O + OH " + 2 CO 2
Par ailleurs, les ions carbonates sont convertis en ions bicarbonates en conditions acides. Ainsi, au final, la présence du dioxyde de carbone permet de réduire la teneur en ions carbonates et bicarbonates dans l'eau, et d'enrichir la composition gazeuse en dioxyde de carbone.
On estime que pour un exemple d'installation dont la chaudière produit
1350000 Nm 3 /h de fumées, il est possible de traiter 270000 m 3 d'eau contenant 2 g/L de HCO3 si la réaction présente une efficacité de 100 %. Etant donné que cette quantité d'eau théorique susceptible d'être traitée est largement supérieure aux besoins réels de l'installation, la décarbonatation selon l'invention fonctionne même si l'efficacité de la réaction est largement inférieure à 100 % (en fonction du temps de contact eau / gaz).
L'unité de décarbonatation 6 peut prendre la forme de tout dispositif permettant la mise en contact d'un liquide avec un flux gazeux. Par exemple, elle peut prendre la forme d'une colonne à plateaux ou à garnissage, dans laquelle un flux d'eau descendant croise un flux ascendant de composition gazeuse ; ou elle peut comprendre un dispositif cyclonique ; ou elle peut comprendre un dispositif d'éjecteur ou venturi. Mais selon un mode de réalisation préféré plus simple à mettre en œuvre, l'unité de décarbonatation 6 peut simplement comprendre un récipient de stockage d'eau (tel qu'une cuve de stockage) et des moyens d'injection de composition gazeuse dans le récipient de stockage d'eau. Dans tous les cas, on prévoit une conduite de récupération de gaz émis 7.
Ainsi, selon le mode de réalisation préféré, l'invention nécessite peu de modifications par rapport à une installation classique, car l'installation classique comprend déjà généralement un récipient de stockage d'eau en amont de la chaudière 8. Il suffit donc pour mettre en œuvre l'invention de prévoir des moyens d'injection de composition gazeuse dans le récipient de stockage d'eau, de préférence constitués par un diffuseur de gaz (par exemple du même type que celui utilisé dans l'unité de flottation à gaz induit) qui est disposé vers le fond du récipient de stockage ; de prévoir une ligne de soutirage de gaz de combustion 10 issue de la chaudière 8 et alimentant les moyens d'injection susmentionnés ; et enfin de doter le récipient de stockage d'eau de la conduite de récupération de gaz émis 7 susmentionnée.
De préférence, le récipient de stockage d'eau présente un temps de rétention supérieur ou égal à 30 minutes, voire supérieur ou égal à 1 heure, afin de permettre à la décarbonatation de s'effectuer avec une efficacité suffisante. En général, les récipients de stockage d'eau dans les installations existantes présentent des temps de rétention de 5 à 8 heures, et ils sont donc parfaitement compatibles avec l'invention.
Afin que le dioxyde de carbone injecté et produit lors de la décarbonatation ne reste pas dissous dans l'eau et soit correctement dégazé avant d'entrer dans la chaudière 8, il importe de travailler à température élevée. Ainsi, l'étape de décarbonatation est de préférence effectuée à une température supérieure ou égale à 60°C, notamment supérieure ou égale à 70°C, de manière plus particulièrement préférée supérieure ou égale à 80°C, et idéalement entre 85°C et 95°C. Selon un mode de réalisation préféré, il est inutile de prévoir un chauffage de l'eau au stade de la décarbonatation ou avant celle-ci, car l'eau utilisée présente naturellement une température élevée. C'est en particulier le cas lorsque l'eau est au moins partiellement recyclée à partir de vapeur précédemment générée.
Si la température de l'eau n'est pas assez élevée, il est possible d'améliorer le dégazage du dioxyde de carbone en prévoyant une légère dépression au sein de l'unité de décarbonatation 6.
Lorsque la chaudière 8 fonctionne en combustion normale, le gaz de combustion comprend typiquement environ 10 % de dioxyde de carbone, 15% d'eau en volume et environ 75 % d'azote en volume et des traces d'oxygène. L'azote est un gaz inerte vis-à-vis de la décarbonatation.
Il est possible de faire fonctionner la chaudière 8 avec un excès d'air. Il est également possible de faire fonctionner la chaudière 8 en oxycombustion, c'est-à-dire en utilisant de l'oxygène quasiment pur à la place de l'air en tant que comburant. Dans ce cas, le gaz de combustion comprend une proportion plus élevée de dioxyde de carbone, par exemple environ 35 % en volume (pour environ 65 % en volume d'eau et des traces d'azote et d'oxygène). Cela est avantageux à la fois pour l'efficacité de la décarbonatation et pour l'effet de concentration du dioxyde de carbone en sortie de l'unité de décarbonatation.
Par ailleurs, le gaz de combustion contient également généralement en petites quantités des composés supplémentaires, notamment des composés soufrés, fluorés ou chlorés. Ces composés ont tendance à être captés dans l'eau lors de l'étape de décarbonatation ce qui évite leur rejet direct dans l'atmosphère. En outre, certains de ces composés participent à l'acidification de l'eau et améliorent donc le rendement de la décarbonatation.
Il s'agit notamment du dioxyde de soufre, qui se dissout dans l'eau sous forme d'acide sulfurique qui génère lui-même des ions sulfate. De même l'acide chlorhydrique ou l'acide fluorhydrique contribuent à acidifier l'eau. Plus le pH est faible, plus le dioxyde de carbone dissous a tendance à être libéré de l'eau et à passer en phase gazeuse. En revanche, les espèces ioniques générées par les autres composants acides du gaz de combustion (SO 4 2~ , CI " , F " ...) ont tendance à rester stables dans l'eau et contribuent à maintenir l'eau proche de la neutralité, compte tenu de leur faible proportion par rapport au dioxyde de carbone majoritaire.
Selon un mode de réalisation particulier, afin d'améliorer l'efficacité de la décarbonatation, il est possible de prévoir une étape d'humidification de la composition gazeuse comprenant du dioxyde de carbone préalablement à sa mise en contact avec l'eau à traiter. Cette humidification peut consister en un simple dégazage de la composition gazeuse à travers une réserve ou un flux d'eau, afin d'ajouter de l'eau à saturation dans la composition gazeuse. Ainsi, le dioxyde de carbone est partiellement dissous avant même sa mise en contact avec l'eau à traiter, ce qui améliore la cinétique de la réaction.
Le gaz collecté en sortie de l'unité de décarbonatation 6 dans la conduite de récupération de gaz émis 7 peut être rejeté dans l'atmosphère, ou de préférence traité, en particulier pour récupérer le dioxyde de carbone concentré qu'il contient. A cet effet, on peut notamment utiliser un procédé de capture du dioxyde de carbone, de type post capture par lavage avec une solution à base d'aminé ou bien directement re-comprimer ce gaz pour transport et stockage.
De préférence, la teneur de l'eau en carbonates et bicarbonates en entrée de la chaudière 8 est inférieure ou égale à 1 ppm. Si l'étape de décarbonatation décrite ci-dessus ne suffit pas à assurer que la teneur de l'eau en carbonates et bicarbonates soit suffisamment faible, on prévoit des traitements complémentaires afin de réduire davantage la teneur en carbonates et bicarbonates. De même, si la teneur en silice, en calcium, en magnésium, en sulfates ou en autres contaminants minéraux doit être réduite avant l'arrivée dans la chaudière 8, on prévoit un traitement complémentaire de l'eau avec des moyens de traitement des contaminants minéraux 4.
Ledit traitement complémentaire de l'eau peut comprendre :
- le passage de l'eau sur une résine échangeuse d'ions, en particulier pour diminuer la dureté de l'eau (teneur en ions calcium et magnésium) ;
- une injection d'acide (par exemple acide chlorhydrique) et un dégazage du dioxyde de carbone émis, afin de compléter la décarbonatation décrite ci-dessus ;
- un adoucissement de l'eau par injection de chaux, afin de compléter la décarbonatation décrite ci-dessus ;
- un traitement par osmose inverse ;
- un traitement par évaporation ;
- l'ajout d'agents de cristallisation et la récupération d'espèces cristallisées, par décantation ou au moyen de membranes céramiques, par exemple ainsi que décrit dans les demandes WO 2009/029651 et WO 2009/029653 ;
- l'ajout d'inhibiteurs de dépôt de silice, par exemple tel que décrit dans la demande CA 2475048.
Selon un mode de réalisation, l'eau de purge issue de la chaudière 8 est évacuée dans l'environnement, éventuellement après séparation des solides en suspension ; alternativement, cette eau de purge peut être recyclée via la conduite de purge 14 vers le système d'alimentation en eau 13, après séparation des solides en suspension par évaporation / cristallisation et / ou par décantation. Cela est particulièrement avantageux lorsqu'on utilise des inhibiteurs de dépôt de silice, comme cela est décrit en détail dans le document WO 2009/071981 . Selon un mode de réalisation préféré, l'eau circulant du système d'alimentation en eau 13 est partiellement (voire principalement) de l'eau recyclée, c'est-à-dire obtenue par condensation de la vapeur générée dans la chaudière 8, après utilisation de ladite vapeur. Dans ce cas, la conduite d'amenée d'eau 1 est une conduite de recyclage d'eau 1 . On prévoit alors généralement une arrivée d'eau complémentaire 5, par exemple de l'eau fraîche prélevée dans l'environnement. Selon la composition chimique de cette eau, certains traitements peuvent être inutiles pour cette eau, et l'arrivée d'eau complémentaire 5 est donc connectée à un emplacement choisi en conséquence dans le système d'alimentation en eau 13. Typiquement, l'arrivée complémentaire 5 est connectée en aval de l'unité d'écumage 2 et de l'unité de déshuilage 3, comme cela est représenté sur la figure. Extraction d'hydrocarbures
Le procédé et l'installation décrits ci-dessus pour la génération de vapeur peuvent être utilisés dans toutes les situations où la génération de vapeur est utile. Par exemple, ils peuvent être utilisés dans le cadre du raffinage du pétrole, pour remplir des fonctions de chauffage, de nettoyage, voire de génération électrique. Mais selon un mode de réalisation préféré, ils sont utilisés pour la mise en œuvre d'un procédé, respectivement dans le cadre d'une installation, d'extraction d'hydrocarbures dans une formation souterraine.
Dans ce cas, la vapeur produite est injectée dans la formation par au moins un puits d'injection. La vapeur mobilise les hydrocarbures contenus dans la formation, tels que les huiles lourdes ou les hydrocarbures contenus dans les sables bitumineux, qui sont récupérés par au moins un puits de collecte (qui peut être identique au puits d'injection ou différent de celui-ci).
L'extraction d'hydrocarbures peut ainsi notamment être effectuée par drainage gravitaire assisté par la vapeur (SAGD) ou par drainage par la vapeur ou par stimulation cyclique par la vapeur.
L'eau produite est également récupérée dans le puits de collecte. Généralement, les hydrocarbures et l'eau produits sont principalement sous la forme d'une émulsion eau / huile. L'émulsion est séparée en une fraction hydrocarbonée et une fraction aqueuse selon des techniques connues dans le domaine. La fraction hydrocarbonée subit des étapes de traitement aval, tandis que la fraction aqueuse peut être réutilisée pour fournir l'eau d'alimentation de la chaudière 8. EXEMPLES
Les exemples suivants illustrent l'invention sans la limiter.
Exemple 1 - dispositif expérimental
On traite dans un pilote de laboratoire et conformément à l'invention une eau de production issue d'une formation souterraine, ladite eau étant destinée à alimenter une chaudière. L'eau présente les caractéristiques suivantes :
Conductivité à 25°C : 841 mS/m
pH : 8,05
Température de mesure : 20,1 °C
Matières en suspension : 360 mg/L
Carbone organique total : 21 1 ,4 mg/L
Humidité : 99,32 % (pds)
Mercaptans : 1 ppm
Sulfure d'hydrogène : < 1 ppm
Alcalinité : 42,5 meq/L
Silicium : 12,5 mg/L
Manganèse : < 20 pg/L
Bore : 14,4 mg/L
Strontium : 3,2 mg/L
Aluminium : < 20 pg/L
Baryum : 2,05 mg/L
Calcium : 15,00 mg/L
Cuivre : < 10 Mg/L
Fer : < 20 Mg/L
Magnésium : 28,7 mg/L
Potassium : 46,9 mg/L
Sodium : 2021 ,0 mg/L
Lithium : 0,32 mg/L
Ammonium : 7,90 mg/L
Chlorures : 2093 mg/L
Bromures : 9,2 mg/L
Phosphates : < 0,5 mg/L Sulfates : < 0,5 mg/L
Fluorures: < 0,1 mg/L
HCO 3 : 2,6 g/L
CO 3 : < 0,5 mg/L
La décarbonatation de l'eau est effectuée dans un réacteur à double enveloppe étanche pourvu d'un système de chauffage de l'eau.
En tant que source de composition gazeuse, on utilise une bouteille de gaz remplie d'un mélange comprenant 10 % de dioxyde de carbone et 90 % d'azote (modèle de gaz de combustion obtenu avec une combustion normale).
Le débit de gaz issu de la bouteille est régulé avec un détendeur et un robinet à aiguille et mesuré avec un débitmètre à film. Le gaz issu de la bouteille passe dans un récipient de 100 mL rempli d'eau distillée et maintenu à 60°C, afin de l'humidifier. Puis le gaz arrive au fond du réacteur, où il est dispersé dans l'eau (500 mL) avec un disque fritté. Une agitation magnétique est effectuée pour faciliter la réaction.
On évalue l'efficacité de la décarbonatation de l'eau en mesurant le pH au début, à la fin de l'expérience, ainsi que durant l'expérience. Une pompe péristaltique est prévue pour la recirculation de l'eau, afin de permettre une mesure de pH en continu. Le pH-mètre est réglé à la température d'opération.
Un tuyau de collecte de gaz est branché sur le couvercle du réacteur, et il est relié à un débitmètre à film qui indique si du dioxyde de carbone est produit.
Avant le début de la réaction, le réacteur est chauffé à la température d'opération, avant de le remplir d'eau. Une fois le réacteur à la bonne température, l'eau est ajoutée (après avoir été dégazée) et le réacteur est scellé. La pompe est mise en marche, et on attend que le pH se stabilise. Puis la bouteille de gaz est ouverte, et le débit de gaz est ajusté au moyen des vannes, en le contrôlant grâce au débitmètre. L'agitation magnétique est mise en route. Le pH est noté toutes les minutes ou toutes les 5 minutes pendant la première heure, puis toutes les 10 ou 15 minutes par la suite. Le pH est également noté avant réaction (après dégazage à l'azote) et après réaction et dégazage à température ambiante.
Exemple 2 - résultats
La figure 2 représente l'évolution du pH au cours de la réaction, pour des débits gazeux respectifs de 10 mL/min (triangles), 50 mL/min (carrés) et 100 mL/min (cercles), à une température d'opération de 60°C. On constate que la réaction est d'autant plus rapide que le flux de CO 2 est important.
La figure 3 représente la concentration de bicarbonates (en mol/L) déterminée en fonction du pH, avant la réaction de décarbonatation (barres en damier), à l'issue de la réaction de décarbonatation (barres blanches) et à l'issue de la réaction de décarbonatation après dégazage (barres noires) afin d'éliminer le CO 2 dissous.
Différentes situations sont illustrées :
- A et B : température de 90°C et débit de 10 mL/min ;
- C : température de 90°C et débit de 100 mL/min ;
- D : température de 60°C et débit de 100 mL/min ;
- E : température de 60°C et débit de 50 mL/min ;
- F : température de 60°C et débit de 10 mL/min.
Ces résultats confirment que l'invention permet de réduire substantiellement la teneur en carbonates / bicarbonates dans l'eau.
Next Patent: SERVICE PROVIDER COORDINATION PLATFORM