Brevet FR2006260A1 — publié le 19691226

La présente invention est relative, d'une façon générale, à un procédé permettant de recueillir les minéraux du sol et, plus particulièrement, à un procédé permettant simultanément de recueillir et de traiter, in situ, des hydrocarbures et autres mi-5 néraux précieux du sol. les dépôts d'huile de schiste se trouvant sur le continent ïford Américain constituent l'une des plus grandes réserves mondiales d'huile. Les dépôts de schiste argileux sont situés relativement près de la surface et ont une profondeur maximale de 1' 10 ordre de quelques centaines ou milliers de mètres. L'huile, sous une forme connue sous le nom de kérogène, est renfermée dans une roche silicomarneuse peu perméable appelée maristone. On ne peut pas utiliser la technique de forage habituelle pour recueillir cette huile car cette roche n'est pas ou peu poreuse. Au lieu de 15 cela, le schiste argileux est d'abord soumis à une extraction minière et est ensuite broyé, puis chauffé jusqu'à une température élevée afin de vaporiser les hydrocarbures qui sont ensuite condensés et recueillis. Diverses techniques thermiques destinées à recueillir l'huile enfermée dans des sables asphaltiques et au-20 très réservoirs d'huiles de basse viscosité ont, d'une façon gé-diverses raisons. On a proposé de réaliser la combustion in situ d'une partie de l'huile, afin d'engendrer la chaleur nécessaire pour vaporiser l'huile, mais il est difficile d' entretenir la combustion. On a proposé d'envoyer par pompage des 25 gaz chauffés jusqu'au fond du puits d'injection, mais les pertes de chaleur sont, d'une façon générale, trop importantes soit entre la surface et le point d'application, soit entre le point d' application et les couches situées au-delà du puits de forage. En outre, la couche peu perméable normalement associée à un ré-30 servoir de ce type fait qu'il est très difficile de réaliser la couverture volumétrique nécessaire. L'invention concerne directement la pyrolyse in situ d'hydrocarbures, en dirigeant un faisceau laser sur une couche contenant des hydrocarbures, de manière à simultanément creuser un 35 trou dans la couche et à pyrolyser les hydrocarbures tout en réglant l'atmosphère de manière à chauffer la couche, sans qu'il se produise de combustion. L'atmosphère réglée agit comme gaz porteur et peut être soit non réactive soit sélectivement réacti-ve vis-à-vis des hydrocarbures. Le gaz porteur peut simplement enve-40 lopper la surface initiale de la couche, ou peut être dirigé dans 69 10627 2 2006260 l'ouverture effectuée dans celle-ci, sous pression. Puis les hydrocarbures sont soit soumis à une condensation fractionnée soit séparés d'une autre manière du gaz porteur, sous forme naturelle ou sous forme de composés de synthèse. Le même procédé est uti-5 lisable pour extraire n'importe quel minéral du sol qui peut être vaporisé in situ au moyen d'un laser puis sélectivement séparé du gaz porteur par condensation fractionnée, ou autre procédé approprié. Le faisceau laser peut être dirigé sur une surface exposée de la couche contenant le minéral, puis être progressivement 10 soumis à un mouvement de translation afin de réaliser une couverture volumétrique maximale, ou peut être utilisé pour ouvrir un trou dans les morts-terrains avant de pénétrer à l'intérieur de la couche contenant le minéral. Selon l'invention, l'installation permettant la mise en oeu-15 vre du procédé comprend un ou plusieurs lasers qui peuvent être déplacés de manière à vaporiser progressivement la couche, une enceinte permettant de régler l'atmosphère à la surface de la couche sur laquelle le faisceau laser est dirigé, des moyens pour faire circuler un gaz porteur dans l'enceinte, des moyens pour 20 extraire sélectivement les minéraux vaporisés du gaz porteur et des moyens pour faire à nouveau circuler le gaz porteur dans 1' enceinte. Au dessin annexé, donné uniquement à titre d'exemple, la Pig. unique représente schématiquement une installation selon 1' 25 invention. En se référant maintenant au dessin, une installation selon l'invention est indiquée, d'une façon générale, par la référence " 10. Elle est placée à la surface 12 d'une couche 14 de terrain qui contient les minéraux à recueillir. La couche 14 peut être tin 30 schiste contenant de l'huile, du charbon de mauvaise qualité, un minerai métallique, ou à peu près n'importe quelle autre couche contenant des minéraux qui peut être vaporisée et dont les minéraux (sous forme d'éléments ou de composés) ou les minerais enrichis peuvent être condensés ou autrement séparés d'un gaz por-35 teur. L'installation 10 comprend plusieurs lasers 16 qui sont soutenus par un cadre 18 qui peut être déplacé au-dessus de la surface 12 par un dispositif approprié représenté par des roulettes 20. Les faisceaux 19 des lasers 16 sont dirigés, de haut en bas, 40 sur la surface 12. Les faisceaux laser 19 peuvent être déplacés BAD ORIGINAL 10627 3 2006260 progressivement au-dessus de la surface 12 de manière à vaporiser progressivement la couche et à produire des trous 22 ayant tm diamètre sensiblement plus important que le diamètre des faisceaux laser, soit en déplaçant les lasers 16 par rapport au cadre 5 18, soit en déplaçant le cadre 18 sur la surface du terrain. Une enceinte 24 enveloppe la surface 12 autour de la zone sur laquelle les rayons laser sont dirigés, de manière à régler l'atmosphère au sein et au-dessUs des trous 22. Si nécessaire, le gaz de l'atmosphère réglée peut être amené jusque dans les trous 10 pendant le travail d'excavation, par des conduits appropriés (non représentés), comme indiqué par des flèches 25. le gaz porteur et les vapeurs entraînées sortent ensuite, vers le haut, par les trous, comme indiqué par des flèches 27. L'enceinte 24 peut également être déplacée sur la surface 12 à l'aide d'un dispositif 15 approprié (non représenté) de manière que les trous puissent être progressivement agrandis pour obtenir une bonne couverture volu-métrique de la couche de terrain et également pour augmenter 1' écoulement de vapeur afin de débarrasser le trou et améliorer la pénétration du faisceau laser. 20 l'enceinte 24 peut être en un matéiiau de construction clas sique ou peut comprendre un (5ome souple en matière plastique tendu par la pression du gaz qui est supérieure à -,1a pression atmosphérique.. Lorsqu'on désire maintenir les vapeurs à une température élevée, les lasers peuvent être situés au sein de l'enceinte, 25 de manière que la chaleur dissipée par le laser chauffe le gaz dans l'enceinte, et celle-ci peut être isolée. Si une température plus basse est requise, les lasers peuvent être placés hors de 1' enceinte et celle-ci peut comprendre un tissu recouvert de matière plastique souple, gonflé par la pression du gaz au sein de 1' 30 enceinte. Le cadre 18 et l'enceinte 24 peuvent être déplacés ensemble au-dessus de la surface 12, ou bien l'enceinte 24 peut être déplacée par paliers et le cadre 18 être déplacé progressivement sur la surface au sein de l'enceinte 24. Un réservoir 26 de gaz porteur est en communication fluide 35 avec l'enceinte 24, à l'aide d'un conduit 28. Le gaz porteur peut être un gaz totalement inerte, par exemple l'hélium, l'azote, 1* argon, le néon ou le krypton, il peut être un gaz à peu près non réactif, tel que le gaz carbonique, ou un gaz actif tel que l'ammoniac, le brome, l'iode, le chlore, le protoxyde d'azote ou 1' 40 oxyde nitrique, selon le minéral recueilli et le type de composé 69 10627 4 2006260 synthétique qu'on désire obtenir, comme on le décrira ci-après de façon plus détaillée. le gaz porteur est recyclé dans l'installation à l'aide d'un dispositif approprié représenté par une pompe d'évacuation 30 5 qui communique avec l'enceinte 24 par un conduit 32. le mélange gazeux provenant de l'enceinte 24 passe ensuite dans un séparateur 34 classique dans lequel les produits minéraux sont extraits du courant et envoyés vers un réservoir 36. le gaz porteur est ensuite recyclé par un conduit 38, vers le réservoir 26 d'alimen-10 tation du gaz porteur. le séparateur 34 peut être de n'importe quel type classique utilisé pour séparer les vapeurs d'un élément ou composé, ou groupe d'éléments ou composés, du gaz porteur. De manière habituelle, le séparateur 34 est un condenseur «électif qui permet 15 de soumettre les vapeurs d'hydrocarbures à une condensation fractionnée, par exemple, à stades multiples, afin de séparer également les diverses fractions d'hydrocarbures obtenues par la pyrolyse de l'hydrocarbure naturel. Conformément au procédé selon l'invention, les faisceaux 19 20 des lasers 16 sont progressivement déplacés au-dessus de la surface de la couche de terrain contenant.les minéraux à recueillir, de manière à obtenir un trou dont la profondeur et la dimension croissent progressivement. Il en résulte que les minéraux à recueillir, ainsi qu'une partie de la substance de la couche, sont 25 vaporisés, les vapeurs chaudes se dilatent et s'écoulent, vers le haut, par le (ou les) trou'(s) formé (s)-dans la couche et se. réunissent au gaz porteur s'écoulant dans l'enceinte 24. le gaz porteur et les vapeurs passent ensuite dans le séparateur 34 dans lequel les constituants désirés de la vapeur sont séparés du gaz 30 porteur et stockés. On fait ensuite recirculer le gaz porteur dans l'installation. lorsque le minéral à recueillir est un hydrocarbure naturel qui peut être sous forme de képffgàne, de charbon ou de dépôts de pétrole, le gaz porteur peut être soit un gaz totalement inerte 35 comme, par exemple, l'azote, l'argon, le néon, le krypton ou 1' hélium, soit un gaz non réactif tel que le gaz carbonique. Dans ce cas, les composés obtenus sont des composés naturels obtenus par pyrolyse des hydrocarbures, le gaz porteur peut être également un gaz qui réagit avec les vapeurs d'hydrocarbures aux tem-40 pératures élevées produites par le laser, afin d'obtenir des com 69 10627 5 2006260 posés utiles. C'est ainsi par exemple que l'ammoniac, le brome, le chlore, l'iode, le protoxyde d'azote ou l'anhydride nitreux peuvent donner des composés hydrocarbonés utiles à la température élevée produite par le faisceau laser. 5 Selon un autre aspect du procédé, les composés hydrocarbonés, soit ceux résultant naturellement de la pyrolyse de l'hydrocarbure, soit les composés de synthèse résultant de la combinaison des vapeurs d'hydrocarbures avec un gaz porteur actif, sont soumis à une condensation fractionnée afin d'obtenir les composés désirés 10 au moins sous une forme semi-raffinée. On peut y parvenir, dans la plupart des cas, en faisant passer le gaz porteur associé aux vapeurs entraînées dans une colorne de fractionnement, ou par d' autres procédés classiques en chimie du pétrole. D'une façon générale, le procédé selon l'invention peut être 15 également utilisé pour extraire les métaux (ou à peu près n'importe quel autre minéral précieux) qui peuvent être vaporisés puis séparés du gaz porteur et autres vapeurs, sous line forme utilisable, par condensation fractionnée ou autre technique de séparation. Comme illustré, l'installation est mise en place di-20 rectement sur la couche de terrain contenant les minéraux à recueillir, comme ce peut être le cas lorsque les morts-terraizs ont été enlevés mécaniquement du schiste contenant de l'huile. Cependant, il est bien entendu qu'on peut faire fonctionner l'installation sur les morts-terrains et utiliser le faisceau laser pour . 25 traverser ces morts-terrains et -la couche. C'est ainsi que l'expression "couche du terrain" englobe toutes les couches superficielles à travers lesquelles il peut être désirable de pénétrer avant d'atteindre effectivement le sable ou le minerai contenant le minéral. 30 Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux modes de mise en oeuvre représentés et décrits cui n'ont été donnés qu'à titre d'exemples. 69 10627 6 2006260 Revendications 1 - Un procédé pour extraire un constituant minéral donné d'une couche de terrain, caractérisé en ce qu'on dirige un faisceau laser sur la couche, afin d'en vaporiser progressivement une 5 partie et le constituant minéral qui s'y trouve et afin d'y former un trou, on règle l'atmosphère à la surface de la partie de la couche sur laquelle on dirige le faisceau laser et on recueille les constituants minéraux de ladite atmosphère. 2 - Un procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce 10 que les minéraux sont des hydrocarbures et que ladite atmosphère est sensiblement exempte d'oxygène. 3 - Un procédé suivant la revendication 2, caractérisé en ce que ladite atmosphère est un gaz qui ne réagit pratiquement pas avec des hydrocarbures. 15 4 - Un procédé suivant la revendication 2, caractérisé en ce que ladite atmosphère comprend au moins un constituant qui réagit avec les hydrocarbures à la température produite par le laser, afin d'obtenir un composé, qu'on recueille de ladite atmosphère. 5 - Un procédé pour extraire un constituant minéral donné de 20 son emplacement naturel dans une couche de terrain, caractérisé en ce qu'on règle l'atmosphère, sur la surface exposée de la couche, de manière à empêcher une combustion à température élevée, on dirige un faisceau laser sur la couche afin de la vaporiser ainsi que la constituant donné dans ladite atmosphère et 25 on condense ce constituant de ladite atmosphère réglée, afin dè recueillir le constituant donné. 6 - Un procédé pour préparer un composé dont un des constituants se trouve dans une couche de terrain, caractérisé en ce qu' on règle lfetmosphère à la surface de la couche, l'atmosphère com- 30 prenant des constituants du composé à obtenir, et on dirige un faisceau laser sur la couche afin de .la vaporiser ainsi que le constituant qui s'y trouve, en présence de l'atmosphère et afin de combiner les constituants vaporisés ainsi que les constituants de l'atmosphère, pour former le composé cherché. 35 7 - Une installation pour extraire un constituant minéral donné d'une couche de terrain, caractérisée en ce qu'elle comprend un laser pour diriger un faisceau d'énergie très focalisé, des moyens pour maintenir le laser à la surface de la couche de terrain, en une position permettant de diriger le faisceau sur 40 la couche, de manière qu'il puisse y pénétrer et en vaporiser le BAD ORIGINAL 69 10627 7 2006260 constituant minéral, des moyens pour régler l'atmosphère autour de la portion de la couche exposée ati faisceau et des moyens pour séparer les constituants minéraux de ladite atmosphère. 8 - Une installation suivant la revendication 7, caractéri-5 sée en ce que les moyens pour maintenir le laser comprennent des moyens permettant d'effectuer une translation progressive du faisceau laser au-dessus de la couche. 9 - Une installation suivant la revendication 7, caractérisée en ce que les moyens pour régler l'atmosphère comprennent une 10 hotte disposée au-dessus et autour du point sur lequel le faisceau laser vient tout d'abord en contact avec la surface de la couche. 10 - Une installation suivant la revendication 9, caractérisée en ce que la hotte comprend des parois souples gonflées par. la 15 pression du gaz dans la hotte. 11 - Une installation suivant la revendication 7, caractérisée en ce que les moyens pour séparer les constituants minéraux de ladite atmosphère comprennent un dispositif de condensation sélective pour condenser sélectivement et séparer plus d'un cons- 20 tituant minéral de ladite atmosphère, et un dispositif pour faire passer les gaz de ladite atmosphère dans un dispositif de condéfl-sation sélective. 12 - Une installation suivant la revendication 11, caractérisée en ce qu'elle comprend un dispositif pour faire recirculer 25 ladite atmosphère du dispositif de condensation sélective vers les moyens pour régler l'atmosphère autour de la portion de la couche du sol exposée au faisceau.