Vaporisateur à combustion immergée pour le chauffage et la mise sous pression des réservoirs d’hydrocarbures

Promoteur principal : Combustions Solutions Inc. (CSI)
Lieu : Calgary (Alberta)
Contribution de l’Initiative : 2 147 000 $
Total du projet : 4 698 000 $

Contexte du projet

L’utilisation des technologies thermiques pour stimuler la récupération de pétrole des puits utilisant la méthode CHOPS (Cold Heavy Oil Production with Sand, ou production à froid de pétrole lourd et de sable) présente un important potentiel d’accroître les réserves de pétrole récupérable du Canada dans le bassin de pétrole lourd entourant Lloydminster. La vapeur est un intrant typique des processus de récupération et exige l’utilisation d’eau douce et de carburant. Dans la plupart des cas, on utilise de l’eau douce traitée (avec une partie d’eau produite recyclée) dans des chaudières au gaz à 85 % d’efficacité pour produire de la vapeur à haute pression. Le processus gaspille plus de 15 % de l’intrant énergétique tout en produisant une quantité considérable de gaz à effet de serre (GES) et en rejetant des oxydes d’azote dans l’atmosphère. On a donc besoin d’une meilleure méthode de production de vapeur. Reconnaissant ce besoin, FERST Environmental Inc. a mis au point le concept d’utilisation de vapeur et de gaz de carneau pour stimuler une récupération améliorée dans les puits utilisant la méthode CHOPS. L’utilisation d’un brûleur haute pression à contact direct pour vaporiser l’eau non traitée produite par un champ pétrolifère dans un réacteur d’une efficacité énergétique réelle de 100 %, tout en offrant une stimulation et une récupération maximale des puits. FERST a communiqué avec Combustion Solutions Inc. (CSI), une compagnie ayant une expérience considérable des brûleurs et de la combustion, et ensemble, les compagnies ont élaboré et proposé le projet intitulé « Vaporisateur à combustion immergée pour le chauffage et la mise sous pression des réservoirs d’hydrocarbures » aux fins de financement par l’Initiative écoÉNERGIE sur l’innovation. Le projet a obtenu 2 147 000 $ pour mettre au point, fabriquer et utiliser un brûleur haute pression lorsque les gaz de carneau sont en contact direct avec de l’eau brute non traitée.

Résultats

Version textuelle

Vue extérieure de la tuyauterie et des câbles interconnectés le long des unités conteneurisées de compression du gaz naturel, de production d’électricité, le local électrique, les services publics, le compresseur à air de combustion, la salle de contrôle et le châssis de VCI tels qu’installés sur une série de deux remorques à plateformes plates (flat deck trailer) de 53 pieds et d’une remorque à plateforme à niveaux (step deck trailer) de 53 pieds.

CSI a réalisé des études approfondies de modélisation 3D et de dynamique numérique des fluides (DNF) pour éclairer la conception et la mise au point des prototypes de brûleur à combustion immergée et de cuve de vaporisation. Une des principales exigences de la conception du brûleur était l’utilisation du refroidissement par air pour éviter l’accumulation de tartre inhérente à une surface d’échange de chaleur refroidie par eau. Une autre exigence de conception était l’utilisation des gaz de combustion pour assurer la circulation de l’eau autour du brûleur et la séparation des solides, des liquides et des vapeurs dans la cuve. Un prototype initial a été fabriqué en quartz pour visualiser le comportement de la flamme et confirmer l’exactitude et l’applicabilité des simulations de DNF. Un second prototype semblable a été fabriqué pour vérifier les profils de température de différentes pièces du brûleur.

Un prototype alpha a été conçu et fabriqué d’acier au carbone selon la géométrie et les dimensions exactes de la cuve d’alliage prévue pour les essais sur le terrain. On a toutefois décidé que le brûleur devait utiliser des matériaux résistants à la corrosion pour garantir une longévité suffisante pour les essais. Les prototypes alpha du brûleur et de la cuve ont été soumis à des essais approfondis et utilisés pour l’élaboration des procédures de fonctionnement. Les essais ont été réalisés à des pressions réduites (<1 bar) et à des rythmes d’allumage réduits, puisque la cuve d’acier au carbone ne pouvait pas répondre aux conditions de conception pour des essais à pression et température maximales. Néanmoins, ces prototypes alpha ont permis de réaliser d’importantes observations.

Version textuelle

Cuve de vaporisation à combustion immergée telle qu’installée sur une remorque à plateforme à niveaux (step deck trailer) de 53 pieds.

Un prototype bêta a été fabriqué en réutilisant le prototype alpha de brûleur et en le combinant à une cuve de vaporisation à combustion immergée (VCI) résistante à la corrosion. Les raccords et les cuves sous pression utilisés dans le prototype bêta final ont été conçus pour répondre aux exigences du code ASME VIII-1 et ont été enregistrés auprès de l’autorité compétente dans la province de la Saskatchewan (TSASK), où l’on prévoyait réaliser les essais sur le terrain.

Malheureusement, l’installation du prototype bêta sur le site du puits et les essais sur le terrain du système prototype n’ont pas été effectués en raison d’un ralentissement considérable de l’industrie pétrolière. On a eu un aperçu de l’applicabilité du processus VCI dans une application de récupération assistée des hydrocarbures (RAH) après extraction par la méthode CHOPS grâce à une collaboration avec la Petroleum Technology Association Canada (PTAC) et le Saskatchewan Research Council (SRC). Une étude a été réalisée et une modélisation numérique du processus de RAH par VCI a été effectuée afin de déterminer le potentiel de récupération de pétrole supplémentaire. En outre, pour remplacer les essais sur le terrain, le prototype bêta a été soumis à des simulations d’essais sur le terrain dans les ateliers de CSI situés à Squamish, en Colombie-Britannique. Des essais opérationnels avec un représentant de RNCan sur place ont été réalisés pour faire la démonstration de la capacité du prototype bêta de produire un mélange de vapeur et de gaz de combustion sous haute pression.

Avantages pour le Canada :

La démonstration couronnée de succès et l’adoption subséquente de la technologie de VCI au Canada devrait réduire l’empreinte environnementale et le coût des exploitations de sables bitumineux par comparaison avec les pratiques existantes, ce qui offrira un avantage concurrentiel à l’industrie.

Prochaines étapes

D’autres essais et améliorations de la technologie et du processus de VCI. Recherche de possibilités d’essais sur le terrain, de collaboration et de partenariat.

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