Problématique environnementale de l'exploitation des sables bitumineux en Alberta (Canada)

2.3.2. Récupération in situ

Lorsque la couche bitumineuse est enfouie trop profondément sous la surface (> 75 mètres) pour que l'exploitation à ciel ouvert soit rentable économiquement, l'extraction du bitume est effectuée par des procédés de récupération in situ. Ces méthodes concernent 80% des réserves de sables bitumineux récupérables (Engelhardt and Todirescu, 2005). Certains dépôts, dans lesquels le bitume est suffisamment fluide, peuvent être exploités sans aucun prétraitement du bitume (récupération primaire ou production à froid), principalement dans les réservoirs de Cold Lake²⁰, mais dans la plupart des dépôts de sables bitumineux, le bitume est trop lourd et trop visqueux pour s'écouler dans les conditions normales de température et de pression des réservoirs (Grant and Myers, 2004). Pour être récupéré, le bitume doit d'abord être fluidifié (diminution de la viscosité), soit par un apport de chaleur, soit par injection de diluant, afin de le faire couler vers un puits d'où il peut être pompé.

¹⁸ Ressources naturelles Canada, cf. site internet : www.rncan.gc.ca

¹⁹ cf. chapitre 3.3.3. Marchés et pipelines, p.30.

²⁰ cf. chapitre 2.3.3. Récupération du bitume ou production à froid, p.21.

Divers procédés de récupération in situ ont été mis au point et testé, seuls ou combinés. Ils mettent en oeuvre plusieurs moyens de stimulation: injection de vapeur, combustion in situ, utilisation d'énergie ultrasonore ou électromagnétique, injection d'eau, de polymères, de solutions alcalines ou de solvants.

(a) Stimulation cyclique par la vapeur d'eau (SCV)²¹

Le procédé de stimulation cyclique à la vapeur d'eau, mis au point par Imperial Oil Ltd. à Cold Lake, a commencé à être utilisé pour la production commerciale en 1985, après que divers travaux d'explorations eurent conduits à différents projets pilotes. Parmi les innovations apportées par Imperial se trouvaient le recyclage de l'eau utilisée et le forage de plusieurs puits de production à partir d'une seule plate-forme. Bien que ce procédé ait donné de très bon résultat à Cold Lake, il a été très peu utilisé en dehors de cette région.

Il consiste à injecter dans un puits de production, de la vapeur d'eau, produite dans d'immenses chaudières, surchauffée jusqu'à environ 300°C et sous une pression moyenne de 11'000 kilopascals (kPa). La pression d'injection, en provoquant la fracturation de la roche réservoir, permet au bitume de s'écouler vers le puits. Les périodes d'injection sont suivies d'une période de « trempage » de quatre à huit semaines, puis d'une période de trois à six mois de production, pendant laquelle le bitume chauffé et l'eau sont pompés à la surface par l'intermédiaire du même puits, transformé de puits d'injection en puits de production. Lorsque le taux de production décroît, un nouveau cycle complet injection-trempage-production est amorcé. Le taux de récupération obtenu avec ce procédé est de 20-25% (Engelhardt and Todirescu, 2005).

(b) Déplacement par la vapeur d'eau

Ce procédé a été développé par Shell en collaboration avec l'Alberta Oil Sands Technology and Research Authority (AOSTRA), dans la région de Peace River. Les opérations commerciales ont utilisé cette technique à partir de 1986 et se sont développées avec succès jusque dans le années 1990, avant qu'elle ne soit remplacée par la séparation gravitaire stimulée par injection de vapeur et le forage de puits multibranches stimulés par injection de vapeur.

Le procédé met à contribution la nappe d'eau sous-jacente pour chauffer la couche bitumineuse. Une fois que la communication entre les puits est établie, on injecte de la vapeur d'eau de façon continue, et l'injection et la production sont pratiquées de manière à provoquer alternativement une mise en pression et une décompression du bitume dans le réservoir (Engelhardt and Todirescu, 2005).

(c) Séparation gravitaire stimulée par injection de vapeur (SGSIV) 22

Le concept et les fondements théoriques de cette méthode ont été développés à la fin des années 1970 et au début des années 1980, afin de mettre au point un procédé de stimulation où l'injection de vapeur et la production seraient continues plutôt que cycliques, comme dans les procédés existants. Cependant il a rapidement été établi que le procédé ne pouvait être appliqué de façon rentable à des puits verticaux, les taux de production étant trop faibles. A la suite du premier essai entrepris par Imperial à Cold Lake qui s'est soldé par un échec, les résultats de la première phase

²¹ Nommée aussi CSS pour «Cyclic Steam Stimulation» et surnommé « huff'n puff », en anglais.

²² SAGD pour Steam-Assisted Gravity Drainage, en anglais.

du projet de l'AOSTRA à Fort McMurray ont, quant à eux, été qualifié d'encourageants (Office national de l'énergie, 2000). Cependant, le développement du forage de puits horizontaux, à la fin des années 1980 et début 1990, a été l'avancée technologique clé qui a permis l'essor de ce procédé. L'orientation et la distance, l'un par rapport à l'autre, des puits d'injection et de production pouvaient alors être maîtrisées parfaitement (Engelhardt and Todirescu, 2005).

Les installations de séparation gravitaire stimulée par injection de vapeur comprennent généralement un réseau de puits d'accès verticaux et de galeries horizontales permettant le forage de paires de puits horizontaux dans la couche bitumineuse à une profondeur d'environ 200 mètres. Chaque paire de puits comprend un puits de production, situé à la base du gisement, et un puits d'injection aménagé à environ cinq mètres au-dessus du premier. La vapeur est injectée à faible pression et de façon continue dans le puits supérieur. Elle chauffe la couche bitumineuse et sous réserve d'une perméabilité suffisante, le bitume fluidifié et l'eau de condensation s'écoulent par gravité jusqu'au puits de production, d'où ils sont pompés à la surface ( Figure ).

7La vapeur étant injectée sous une pression inférieure à la pression de fracturation, elle demeure à l'intérieur de la formation, d'où une efficacité de chauffage accrue (Office national de l'énergie, 2000). Il est également possible d'injecter des diluants afin d'augmenter la fluidification du bitume²³ (Attanasi and Meyer, 2007).

Les avantages importants de l'utilisation de la séparation gravitaire stimulée par injection de vapeur par rapport au procédé de stimulation cyclique à la vapeur d'eau résident dans la réduction du rapport vapeur injectée/bitume produit, ce qui se traduit par une réduction des coûts d'exploitation, et dans la mise en oeuvre de pressions moins fortes, ce qui permet l'exploitation de gisements moins denses et enfouis à une plus faible profondeur (Office national de l'énergie, 2000). Ce procédé permet de récupérer entre 40160% du bitume en place à l'origine (Office national de l'énergie, 2004).

Figure 7. Schéma du procédé de séparation gravitaire stimulée par injection de vapeur. Source : The Pembina Institute.

²³ cf. infra VAPEX

(d) VAPEX (Vapour Extraction Process)

Le système VAPEX, développé dans les années 1980 (University of Bath, 2002), est techniquement similaire à la séparation gravitaire stimulée par injection de vapeur hormis le fait que de la vapeur de solvant est injecté en lieu et place de la vapeur d'eau. La viscosité du bitume s'en trouve significativement réduite et bien que le taux de production semble être plus faible par rapport au système traditionnel, ce procédé laisse envisager quelques avantages tels que (Engelhardt and Todirescu, 2005) :

1 diminution de la température et de la pression d'injection ;

1 meilleure efficience énergétique ;

1 pas d'émulsion à traiter ;

1 pas de phénomène de gonflement des argiles qui endommage la formation;

1 valorisation partielle résultant de la précipitation des asphaltènes contenus dans le bitume.

(e) THAI (Toe-to Heel Air Injection)

THAI est une méthode proposé de récupération de bitume qui combine un puits vertical d'injection d'air avec un puits horizontal de production situé à la base du gisement. Le processus est basé sur l'ignition de pétrole dans le réservoir même, créant une zone de combustion ou front de combustion in situ (CIS) générée à proximité du puits d'injection. Les hautes températures (450°C-650°C) produites par le front de combustion in situ vont provoquer, d'une part, la valorisation des bitumes par craquage thermique, et d'autre part, un effet de flux forcé, qui couplé à la gravité, va provoquer le drainage des hydrocarbures jusqu'au puits de production horizontal (University of Bath, 2002).

Les avantages apportés par ce procédé sont (University of Bath, 2002):

1 un taux de récupération de 60180% ;

1 une valorisation in situ du bitume du réservoir, et donc production de pétrole plus légers (de 8° à 16° API) ;

1 création de chaleur in situ (plus besoin d'injecter de la vapeur depuis la surface);

1 des coûts de production moindre par rapport à SGSIV ;

1 une réduction du nickel et du vanadium (91%) et du souffre (30-40%) dans le bitume.