Une nouvelle technologie pour réduire les émissions de gaz à effet de serre attribuables à l’extraction des sables bitumineux

Le 24 janvier 2019

Dans un modeste laboratoire situé dans un secteur boisé en périphérie d’Ottawa, une équipe de chercheurs de Ressources naturelles Canada (RNCan) met à l’essai une nouvelle technologie – la production de vapeur par contact direct (PVCD) – qui pourrait avoir une grande incidence sur l’environnement 3 000 kilomètres plus loin, dans les sables bitumineux de l’Alberta.

« Les réserves de pétrole brut du Canada sont les troisièmes en importance dans le monde, affirme le chercheur Bruce Clements. Elles sont surtout composées de brut lourd appelé bitume qui enveloppe les grains de sable d’une pellicule collante. Nous essayons d’améliorer les méthodes d’extraction, notamment en trouvant des façons économiques d’écologiser le plus possible le procédé d’extraction. »

Transcript

L’extraction de brut lourd ou bitume jour un rôle important dans l’économie canadienne. L’Alberta fourni plus de 15% du PIB canadien et l’extraction des ressources représentent près du tiers de ce pourcentage. Malheureusement, comme l’extraction des ressources pétrolières du Canada est plus difficile et couteuse que celle de bien d’autres ressources de pétrole brut mondial et qu’elle a un impact environnemental plus lourd, nos ressources sont moins attrayantes sur les marchés mondiaux et s’il existait une méthode d’extraction du bitume économique ayant très peu d’impact sur l’environnement utilisant une quantité minimale d’eau douce et ne produisant presque d’émission.

De concert avec l’industrie Ressources Naturelles Canada par l’entremise de nos laboratoires CanmetENERGIE a mis au point des méthodes beaucoup moins nuisibles à l’environnement qui produisent moins d’émissions de gaz à effet de serre tout en étant concurrentiel sur le plan des prix. La technologie mise en œuvre par CanmetENERGIE s’appuie sur l’une de ces techniques de pointe appelée drainage par gravite au moyen de vapeur ou DGMV. Le procédé DGMV utilisent des puits horizontaux couplé et qui s’étend à travers le réservoir de bitume souterrain. Ce procédé nécessite un apport d’eau douce et la production de vapeur enfin procédé énergivores en plus d’accroître son impact environnemental négatif.

CanmetENERGIE a mise au point une technologie de production de vapeur beaucoup moins énergivores et moins dommageable pour l’environnement. Il s’agit de la production de vapeur par contact direct ou procédé PVCD, alors que le procédé DGMV nécessite le traitement coûteux de l’eau et qu’il est normalement dépourvu d’un dispositif de contrôle des gaz à effet de serre. Le procédé des PVCD permet lui de produire de la vapeur en faisant circuler l’eau recyclée provenant de l’extraction du bitume directement à travers un brûleur à oxygène sans traitement préalable. Cela produit essentiellement de la vapeur au CO2 et résidus mélangé au dioxyde de carbone et aux résidus produits, le tout étant renvoyés dans le puits d’injection souterrain.

En fait, il s’agit pratiquement d’un circuit fermé, voici comment ça fonctionne : nous brulons du gaz naturel aux moyens d’oxygène à haute pression et nous injectons l’eau recyclé provenant de l’extraction du bitume à travers la flamme pour produire un mélange de vapeur et de CO2. Le mélange de vapeur pressurisée s’écoule dans le puits d’injection de vapeur. C’est-à-dire, le moins profond des deux puits horizontaux couple est creusée à une distance de quatre à six mètres environ l’un de l’autre. La vapeur réchauffe le bitume du réservoir qui se ramollit et finit par s’écrouler par gravité vers le puit inférieur appelé puits de production. Le liquide du puits inférieur et ensuite pomper vers la surface où l’on en sépare le bitume. L’eau recyclée est ensuite utilisé sans traitement dans le procédé PVCD pour produire de nouveaux de la vapeur. Une partie importante du dioxyde de carbone produit par le procédé de chauffage de l’eau reste sous terre, ce qui contribue à réduire les émissions de gaz à effet de serre.

CanmetENERGIE a mise au point de procédé PVCD au cours des dix dernières années dans le cadre de ses activités de recherche et développement. Nous avons construit dans nos laboratoires d’Ottawa une unité pilote qui nous permet de soumettre à des essais minutieux tous les aspects du procédé PVCD. En plus de l’unité pilote d’Ottawa consacré aux procédés PVCD, la société Sun Corp envisage la construction d’une plus grande unité de démonstration dans le nord de l’Alberta.

Voici les avantages du procédé de production de vapeur par contact direct : il permet une plus grande maîtrise des émissions de GES, il minimise l’utilisation d’eau douce sans traitement préalable, produit aucun déchet liquide, il peut utiliser des combustibles résiduaires comme le coke de pétrole, il crée des économies semblables aux technologies conventionnelles, il produit du pétrole avec une empreinte environnementale considérablement réduite rendant ainsi notre pétrole beaucoup plus attrayantes sur le marché mondial. Pour en savoir plus au sujet de la production de vapeur par contact direct et de CanmetENERGIE, n’hésitez pas à visiter ce site.

Une usine pilote unique en son genre

L’équipe de RNCan sur la PVCD fait partie d’un vaste groupe de spécialistes des secteurs privé et public lancés dans une quête effrénée pour trouver des moyens plus propres et plus économiques d’extraire les produits pétroliers et gaziers des sables bitumineux. À Ottawa, l’équipe effectue des essais dans une usine pilote unique en son genre dans le monde – une usine qui utilise de l’eau contaminée provenant de l’Alberta pour reproduire les procédés en usage là-bas, dans le secteur des sables bitumineux.

Si la forme de pétrole contenue dans les sables bitumineux est le bitume – une substance visqueuse dont la consistance est similaire à celle d’une boue granuleuse – le sable, lui, est composé de différents dépôts – sable, glaise, grès et autres roches sédimentaires. Avant de pouvoir acheminer le bitume vers les marchés mondiaux, on doit d’abord le séparer de ces dépôts, puis le liquéfier. Pour ce faire, on utilise généralement l’une des deux méthodes suivantes : un procédé in situ appelé drainage par gravité au moyen de vapeur ou une méthode d’exploitation à ciel ouvert.

Les méthodes classiques d’exploitation des sables bitumineux peuvent être énergivores

Dans le procédé in situ, on fore un puits dans le sol et on y injecte de la vapeur pour chauffer le bitume jusqu’à ce qu’il soit assez liquide pour couler. L’exploitation à ciel ouvert utilise aussi la vapeur, mais le bitume est alors extrait en surface, produisant des eaux usées contaminées, des résidus humides qui sont stockés dans des bassins de décantation.

Les deux méthodes posent deux problèmes fondamentaux. Premièrement, elles nécessitent de la vapeur, qu’il faut produire avec des chaudières commerciales en brûlant du combustible, ce qui émet des gaz à effet de serre. Deuxièmement, la production de vapeur nécessite de grandes quantités d’eau propre, dont la majeure partie peut être recyclée au moyen de traitements intensifs, surtout dans le cas du procédé in situ.

Raccourcir le procédé pour réduire les gaz à effet de serre

La solution? « : Nous voulons couper toutes ces étapes de traitement de l'eau, escamoter le procédé de traitement de l’eau », indique Lijun Wu, chercheuse à RNCan.

Pour ce faire, l’équipe de RNCan recourt à la PVCD, qui consiste à produire de la vapeur en injectant l’eau usée directement dans une flamme brûlant à ~1300 C dans une chambre de combustion. Le procédé produit un mélange composé de vapeur à haute pression et de gaz de combustion riche en CO2 que l’on peut injecter dans un puits de production en utilisant le procédé in situ, et ce, sans avoir à employer de chaudière commerciale ni de système de traitement de l’eau – tous deux énergivores.

Le procédé de PVCD présente de nombreux avantages pour l’environnement :

• Il consomme beaucoup moins d’eau propre puisqu’il n’exige pas l’utilisation de tubes de chaudières.
• Il réduit l’empreinte écologique du secteur, car presque toutes les émissions de gaz à effet de serre peuvent être séquestrées sous terre.  
• Au lieu de produire des résidus humides, il génère des résidus secs, qui sont plus faciles à gérer et à éliminer.

Expériences et phases d’essais en cours

Depuis juillet 2017, l’équipe de RNCan a mené à bien huit essais concluants à différents niveaux de pression de vapeur, en commençant à 80 bars puis en descendant jusqu’à 30 bars, selon les besoins du puits.

« Au départ, nous nous sommes même demandé s’il serait possible d’allumer du gaz naturel à haute pression et de garder la flamme stable malgré l’injection d’eau », confie Lijun. Le premier essai a été une validation de principe, qui a donné confiance à l’équipe pour poursuivre son travail.

Après ces essais, l’équipe expérimentera différentes sources d’eau contaminée pour voir si les effets varient selon la source, si effets il y a. Ensuite, elle mettra la technologie à l’épreuve dans des conditions réelles d’extraction commerciale de sables bitumineux.

La mise en marché de la PVCD ne se fera vraisemblablement pas avant plusieurs années, mais l’équipe s’en rapproche… une expérience à la fois.

Pour en savoir plus

• Foire aux questions sur la production de vapeur par contact direct
• Voir le procédé du production de vapeur par contact direct en détail