Améliorations de l’analyseur de la vapeur en ligne pour la récupération améliorée du pétrole lourd au moyen de procédés thermiques

Contexte du projet

Les réserves de pétrole du Canada se trouvent principalement dans les sables bitumineux du nord de l’Alberta.  Le drainage par gravité au moyen de la vapeur (DGMV) est la technologie dominante en matière de récupération assistée du pétrole utilisée pour l’exploitation des sables bitumineux in situ.  De la vapeur à pression élevée est continuellement injectée dans la partie supérieure du forage afin de chauffer le pétrole et réduire sa viscosité, ce qui provoque l’écoulement du pétrole chauffé dans la partie inférieure du forage où il est pompé à l’extérieur du forage.  En 2015, la production thermique du pétrole du Canada a atteint 1,2 million de barils par jour (bpj), ce qui nécessite deux milliards de kilogrammes par an environ de vapeur produite par près de 191 générateurs de vapeur.  Le brûlage du gaz naturel afin de produire de la vapeur est responsable pour environ 11 % des émissions totales de GES du Canada.

La qualité de la vapeur est une mesure du rapport de la portion de la vapeur et de la portion liquide présente dans la vapeur. La « chaleur » réelle ou l’énergie réelle requise pour la production réside dans la portion de la vapeur et,  par conséquent,  la qualité de la vapeur doit être maximale pour la production la plus efficace possible du pétrole lourd. La qualité maximale de la vapeur permise pour l’exploitation du pétrole lourd est de 80 % pour les générateurs de vapeur à passage unique (GVPU), la technologie la plus couramment utilisée dans les sables bitumineux.  Au-dessus de 80 %, des dépôts provenant de l’eau produite, traitée et recyclée se forment sur les tubes du générateur de vapeur à passage unique, des points chauds sont générés et les tubes se rompent, ce qui provoque des temps d’arrêt coûteux.

La qualité de la vapeur est mesurée actuellement de façon manuelle, ce qui explique la périodicité et les retards pris entre la prise de mesures et les mesures correctives possibles. Un analyseur de la qualité de la vapeur en ligne permettrait aux producteurs de faire fonctionner les générateurs de vapeur à passage unique plus efficacement et d’améliorer la  qualité de la vapeur.  Consciente de ce besoin, la Petroleum Technology Alliance Canada (PTAC) a proposé le projet « Améliorations de l’analyseur de la vapeur en ligne pour la récupération améliorée du pétrole lourd au moyen de procédés thermiques » afin d’obtenir un financement de l’Initiative écoÉNERGIE sur l’innovation.  Une somme de 1 M$ a été accordée au projet afin de tester et de démontrer la performance d’un analyseur de la qualité de la vapeur dans des conditions représentatives des activités d’exploitation des sables bitumineux.  Le projet s’appuie sur des travaux de validation du concept exécutés antérieurement par les partenaires de PTAC, Luxmux et Agar - un analyseur de la qualité de la vapeur à l’échelle du banc d’essai qui incorpore le capteur laser photonique de Luxmux a été conçu, construit et soumis à des essais afin de démontrer qu’il est possible d’effectuer des mesures optiques de la qualité de la vapeur à l’aide de la photonique.

Résultats

Un système double de chaudières était requis afin de faciliter la mise à l’essai de l’analyseur de la qualité de la vapeur dans des conditions représentatives des activités d’exploitation des sables bitumineux. La conception du système double de chaudières comportait la création de diagrammes d’écoulement du procédé (DFP) et des diagrammes du procédé et de l’instrumentation (DPI) ainsi que la spécification des paramètres associés à l’écoulement, les paramètres d’exploitation et des mesures additionnelles requises par le système afin de valider la qualité de la vapeur.  Le système de chaudières incorpore deux chambres d’un diamètre de 8 pouces et est connecté à la partie supérieure par un tuyau de 2 pouces, un robinet à soupape et une buse à orifice. La chambre de gauche est le « récepteur » et la chambre de droite est la chaudière puisqu’elle est la principale source de vapeur. La fonction de la chambre de la chaudière est de produire de la vapeur saturée (qualité de la vapeur à 100 %) à la  température de 343 °C  et à la pression de 14 824 kPa(g). La fonction de la chambre du récepteur est de recueillir la vapeur provenant de la chaudière par la partie supérieure du tuyau et d’enclencher la condensation, puisque sa température et sa pression sont plus basses (300 °C et 8 584 kPa(g) respectivement).  Durant la condensation naturelle, un fin nuage de vapeur humide se formera sur la partie supérieure de la chambre du récepteur. Le nuage de vapeur est idéal pour la mise à l’essai et  l’étalonnage du capteur  de la vapeur.

La conception initiale terminée, on a procédé à l’achat des matériaux, puis une étude des risques et de l’exploitabilité a été lancée afin de relever et d’évaluer les problèmes qui pourraient représenter des risques pour le personnel ou l’équipement. Les zones à risques ont été identifiées afin d’apporter des améliorations et des modifications à la conception des chaudières. Puis la construction a été lancée. Le système des chaudières a été mis en service avec succès et les essais préliminaires du rendement ont exécutés en juillet 2016.  L’analyseur de la vapeur a été soumis à des essais dans des conditions de vapeur statique et dans un système double de chaudières. Des essais ont également été exécutés afin de déterminer l’incidence des contaminants de la vapeur sur la performance de l’analyseur de la vapeur.

Avantages pour le Canada

Le déploiement à grande échelle des analyseurs de la qualité de la vapeur en ligne dans l’industrie des sables bitumineux permettra aux producteurs d‘exploiter les générateurs de vapeur plus efficacement, ce qui réduira les émissions de GES et la consommation d’eau.

Prochaines étapes

Poursuivre les essais afin d’améliorer davantage l’efficacité du système double de chaudières et la performance  de l’analyseur de la qualité de la vapeur.  Un ensemble de données fiables est requis pour sécuriser les sites d’essais sur  le terrain aux usines de vapeur des sables bitumineux en service.