Brevet FR2080955A1 — publié le 19711126

i. 2080955 La présente invention se rapporte à des procédés d'exploitation minière de dépôts solubles au moyen d'une solution aqueuse de solvant, et plus particulièrement, elle concerne un procédé pour'la formation de cavités souterraines d'exploitation minière 5 au moyen d'une solution, introduite dans les dépôts solubles. L'exploitation minière des dépôts solubles de sels et de minéraux à partir de strates souterraines, en particulier l'exploitation minière de sels au moyen d'une solution, est une technique bien connue et développée. Un certain nombre de champs de sel ont 10 été soumis à l'exploitation minière par forage dans les dépôts de sel, injection d'un solvant, tel que l'eau, dans le trou pour dissoudre le sel, et pompage de la saumure résultante hors du trou pour récupérer le sel. Il est bien connu dans la technique que l'exploitation 15 minière de sel au moyen d'une solution à partir d'une cavité unique présente des difficultés particulières, principalement par suite de la tendance de l'eau douce à s'élever alors que la saumure plus dense se décante au fond de la cavité. Par suite de ce phénomène, la majeure partie de l'action de dissolution a lieu dans les 20 sections supérieures de la cavité et, par suite, la cavité se développe principalement vers le haut et seulement latéralement, de manière secondaire, jusqu'à ce qu'elle atteigne un rocher insoluble superposé, et, à ce point, la cavité ne s'étend que latéralement au sommet suivant une forme en éventail, si bien qu'une section 25 transversale verticale de la cavité ressemble à un "volubilis". Une telle cavité ne peut pas fournir le support structural nécessaire pour le rocher insoluble lâche superposé (pierre à chaux, anhydrite, dolomite, etc...) et, longtemps avant que le sel n'ait été exploité, le rocher insoluble, au-dessus du dépôt de sel, s'ef-fondre dans la saumure, en formant ainsi une couverture insoluble semi-poreuse dans le fond étroit de la cavité et, jusqu'à un certain point, le long des parois. Comme la cavité en forme de "volubilis" se développe, les pétales se développent de plus en plus vers l'extérieur et la majeure partie du rocher formant le toit 35 non supporté s'écroule. Par suite de l'effondrement du toit et de l'accumulation provoquée sur le fond du puits, le tube et les tubages sont souvent brisés et empêchent la circulation du solvant jusqu'à un point tel que finalement le puits doit être abandonné, en laissant non exploité un pourcentage très important de la couche 40 de sel. 71 03766 2. 2080955 Des tentatives pour exploiter une zone de sel efficacement par forage et exploitation minière d'une série de ces cavités très proches les unes des autres, c'est-à-dire approximativement 118 mètres, ont été généralement non couronnées* de succès, non seu-5 lement par suite du blocage dû à l'effondrement du rocher formant le toit, mais aussi par suite des conditions de tension généralement instables du rocher, en position adjacente à une cavité formée. Un récent développement dans l'exploitation minière par 10 solution, connu sous le nom de procédé par "galerie", implique deux (ou davantage) puits entraînés dans la strate de sel. La strate est fendue, d'ordinaire par voie hydraulique, pour ouvrir un passage de liaison d'un puits à l'autre, et on fait circuler un solvant à travers le système souterrain. Ce procédé exige une pé-15 riode importante de mise en fonctionnement de la solution pour produire une galerie d'interconnexion. Des fractures produites par ce procédé ne sont pas nécessairement limitées à la base de l'horizon du sel. Si une fracture se produit au voisinage du sommet de l'horizon du sel, il ne se passe pas longtemps avant que le toit de la 20 cavité ne s'affaiblisse et ne s'effondre par suite de l'enlèvement de la structure saline du support des cavités, et quelquefois il se produit même l'affaissement de la terre au-dessus des puits. Un des procédés les plus efficaces, avant la présente invention, pour retarder l'effet de "volubilis" est décrit dans le 25 brevet américain n° 1.923.896. L'invention de ce brevet se rapporte au maintien d'une couche d'air ou de. gaz entre le liquide dissolvant et le toit de la cavité, ce qui empêche le liquide de venir en contact avec les dépôts de sels supérieurs. Ce procédé, bien que partiellement efficace pour retarder l'effondrement prématuré 30 de la cavité d'exploitation, exige me alimentation continue d1 air ou d'autre a.limentation de gàz injectée dans la cavité, par suite de la dissolution du gaz dans le liquide dissolvant. En outre, a-près plusieurs années de fonctionnement, la mine doit être prématurément abandonnée par suite de l'effondrement des parois à l'in-35 térieur de la cavité. Comme cet effet de "volubilis" a gêné la récupération de saumure à partir des dépôts de sel pendant un temps considérablement long, d'innombrables propositions ont été faites, en étant conçues pour augmenter la production de sel provenant d'une mine, 40 certaines étant décrites ci-dessus, toutes contribuant à la solu 71 03766 3- 2080955 tion du problème mais laissant beaucoup à désirer. Selon la présente invention, une cavité sensiblement cylindrique est formée dans l'exploitation minière, au moyen d'une solution, de dépôts solubles tels que du sel, par l'utilisation 5 d'un tampon d'huile pour séparer le solvant de la partie soluble supérieure dans la cavité en voie de formation. Un puits est d'abord foré dans le dépôt de sel et pourvu, jusqu'à une profondeur de plusieurs centaines de mètres dans le dépôt de sel, d'un tubage cimenté. L'extrémité inférieure du tubage établit le toit éventuel 10 de la cavité finale. Un toit de sel d'épaisseur suffisante doit ê-tre conservé pour fournir une assurance contre l'affaissement, a-près que le puits ait été abandonné, comme cela est bien reconnu dans la technique. A l'intérieur du tubage cimenté, et concentri-quement à ce tubage, on suspend deux trains de tubes, le tube inté-15 rieur se prolongeant en-dessous du tube extérieur jusqu'à un point proche du fond du puits foré. En cours de fonctionnement, un solvant, tel que de l'eau, est envoyé par pompe dans l'espace annulaire entre les deux trains de tubes, fourni en un point situé ordinairement à environ 22,9 20 mètres au-dessus du fond du puits foré. Une fraction de liquide à base de pétrole, non miscible avec l'eau et de densité inférieure à l'eau, est envoyée par pompe à travers l'espace annulaire entre le tubage cimenté et le train de tubes extérieurs pour former vin tampon d'huile à la surface de l'eau» Le liquide à base de pétrole 25 peut être utilisé pour remplir la cavité jusqu'à n'importe quelle profondeur désirée, afin de former un tampon d'huile, en protégeant le sel exposé sur toute la distance allant jusqu'à l'interface et en exposant le sel sous l'interface à l'action de l'eau. Le niveau du tampon d'huile est contrôlé par des lectures 30 de pression en surface avec addition et retrait de liquide à base de pétrole, tel que souhaité, pour maintenir une. pression fixe. Des pressions de tampon d'huile sont produites à chaque niveau, basées sur la densité du liquide à base de pétrole utilisé, sur la densité de la saumure et sur les pertes par friction du système en 35 fonctionnement. Cette pression est enregistrée et des niveaux choisis sont maintenus pendant la durée de la formation d'une section de cavité, en retirant ou en ajoutant de l'huile comme cela est nécessaire. Une fois formée, la cavité initiale de hauteur et de lar-40 geur limitées sert de récipient pour recevoir les produits insolu 71 03766 4. 2080955 bles à base de roche qui sont retirés de la strate et tombent sur le fond, quand le sel est dissous. Le rayon initial souhaité de la cavité, qui peut être de l'ordre de 45,7 mètres, est vérifié en enregistrant la densité et la quantité de saumure et en calcu-5 lant le sel retiré, ou par l'utilisation d'instruments d'étalonnage par sonar. Le tampon d'huile formé du liquide à base de pétrole est alors élevé jusqu'à un nouveau niveau, environ 15>2 mètres en montant dans le puits, au-dessus du niveau précédent par enlèvement d'une quantité suffisante de pétrole à partir de la cavité. 10 L'enlèvement dp. liquide à base de pétrole entraînera un changement de pression du tampon d'huile qui n'affecte pas le procédé de formation -de saumure. Pratiquement, on a trouvé que des pressions o- ' 2 pératoires d'huile de l'ordre d'environ 3*5 à. 70 kg/cm , et de pré- p férence de 7 à 52,5 kg/cm (surface), peuvent être utilisées. Par ' p 15 exemple, une pression d'environ 42 kg/cm (surface) s'est révélée convenable pour maintenir un tampon d'huile dans un puits d'une profondeur d'environ 1.188 mètres, des variations de pression d' environ 0,525 kg/cm étant convenables pour déplacer le tampon d'huile par incrément de 15,2 mètres en direction verticale. 20 Le tampon..d'huile étant retiré de la surface de toit au- dessus du. diamètre du puits, on obtient me production grandement augmentée en saumure saturée, puisque le poids spécifique de la saumure .est fonction de l'aire de surface du sel exposée à la dissolution. Le tampon d'huile se reforme entre l'interface du nouveau 25 toit de la cavité ..et la solution aqueuse de solvant, lorsque le sel est dissous. Le volume du tampon d'huile est réglé, tel que nécessaire, pour maintenir la pression enregistrée au nouveau niveau. Des tranches contrôlées de sel sont retirées de manière à régler pendant le restant de -la durée d'utilisation du puits, en 30 élevant périodiquement le niveau du tampon d'huile. Lors de la dissolution d'une quantité suffisante de sel pour fournir une largeur et une hauteur souhaitées à la cavité i-nitiale, un écoulement adéquat de solution aqueuse de solvant à travers le puits peut être maintenu, pour fournir une vitesse de 35 support ou de soutien assez élevée pour maintenir les produits insolubles, tels que des. sables renfermant du gypse, en suspension. . On peut faire tomber ces produits insolubles en faisant passer la saumure à faible concentration à travers un puits complètement formé, ou en installant un collecteur- de sable, au cas où la saumure 40 aurait une saturation suffisante pour 1'utilisationv Quand on uti 71 03766 5. 2080955 lise le premier procédé, me seule pompe peut être utilisée pour envoyer du solvant frais dans le puits en cours de formation, pour amener à faire sortir la saumure faiblement concentrée et le sable, pour réinjecter cette saumure dans un puits totalement formé et 5 pour faire sortir de force la saumure saturée propre. Cependant, si un développement rapide n'est pas essentiel, une solution de sel saturée peut être produite à partir d'un puits en cours de formation simplement en fonctionnant avec un faible taux d'écoulement, en éliminant ainsi la nécessité d'un nouveau travail de la saumure 10 faiblement concentrée ou de son évacuation. La densité du produit à base de saumure peut être d'environ 1,2 ou légèrement au-dessus. Le liquide à base de pétrole, non miscible à l'eau, utilisé dans l'exploitation minière au moyen d'une solution, selon la présente invention, peut être toute fraction de pétrole liquide non 15 miscible avec l'eau, qui peut être disponible à l'emplacement de l'exploitation minière, ayant une densité dans la cavité de puits inférieure à celle de la solution aqueuse de solvant, le pétrole brut étant d'ordinaire facilement disponible. On préfère que la densité du liquide à base de pétrole soit de moins de 1, mais elle peut 30 être supérieure ou inférieure, et de préférence dans la gamme d'environ 0,7 à 1,0. Il est seulement essentiel que le liquide à base de pétrole ait une densité inférieure à la solution aqueuse de solvant dans la cavité, si bien que l'huile flottera à la surface du solvant et empêchera la dissolution de produit soluble provenant 25 du sommet de la cavité en cours de formation. Le pétrole, bien que coûteux, est récupérable et réutilisable pendant vin nombre illimité de fois. Le pétrole brut est préféré par suite de sa disponibilité et de son faible prix de revient. Le présent procédé rend possible la formation d'une cavi-30 té de forme essentiellement cylindrique, en rendant ainsi optima la profondeur et la largeur du puits, en vue d'une durée maxima d'utilisation et d'un minimum de frais de pompage. Le train de tubes amenant l'eau n'a pas besoin d'être levé ou sbaissé, il reste en position fixe en utilisant le présent procédé, en éliminant ain-35 si la nécessité et les frais de mise en place d'un équipement sur le puits chaque fois que le niveau d'huile est élevé. Des dépôts solubles, tels qu'utilisés ici dans le sens générique, comprennent non seulement du chlorure de sodium, mais aussi d'autres sels solubles tels que, par exemple, le nitrate de so-40 dium, le chlorure de potassium, le sel d'Epsom (sulfate de magné 71 03766 6. 2080955 sium), la kirsite, le chlorure de calcium, le trôna et analogues, et la présente invention comprend l'exploitation minière de soufre par d'autres procédés d'exploitation minière au moyen d'une solution dans l'enlèvement de minerais pouvant être, exploités au moy-5 en d'une solution ou d'un solvant. La présente invention sera maintenant décrite en se référant aux dessins ci-joints qui illustrent à titre d'exemple, un mode de réalisation de l'exploitation minière de produits minéraux solubles, selon la présente invention, et dans lesquels : 10 La figure 1 représente en coupe verticale un puits foré jusqu'à une profondeur d'environ 1.220 mètres, dans son stade initial de fonctionnement. La figure 2 représente en coupe verticale le puits de la figure 1, après que l'exploitation minière au moyen d'une solution 15 ait été développée jusqu'à une hauteur d'environ 15*2 - 22,8 mètres ; et La figure 3 représente une autre coupe verticale sur une cavité cylindrique presque terminée formée par le dépôt de sel par le présent procédé, à un stade proche du stade final d'exploita-20 tion minière. La cavité peut avoir un diamètre allant jusqu'à 152,4 mètres et une profondeur de 914 mètres. Des références semblables se rapportent à des parties sem-' blables dans les diverses vues. .Comme représenté dans la figure 1, le puits 9 est garni 25 d'un tubage 1 de 51,8 cm, cimenté à travers les graviers et le rocher 2 jusqu'à un point 3 à environ 152 - 183 mètres en dessous du sommet du dépôt de sel 4. Un tube 5 d'amenée d'eau, ayant un diamètre de 42,54 cm, s'étend vers le bas à travers le tubage extérieur cimenté 1 et à travers le puits jusqu'à un point 6 à environ 22,8 -30 30,5 mètres à partir du fond du puits. Un train de tubes 7 de re-" tour de saumure, ayant un diamètre de 36,3 cm, est placé à l'intérieur du tube plus grand 5, en descendant le long du puits jusqu'à un point 8 à environ 15,2 mètres à partir du fond du puits 9, le puits foré 9 ayant me profondeur d'environ 1.220 mètres. 35 En cours de fonctionnement, de l'eau 16 est introduite p dans l'entrée 10, sous une pression d'environ 14 kg/cm , descend le long du tube 5 d'amenée d'eau jusqu'à la cavité en cours de formation 11, dissout le sel lorsqu'elle s'écoule à travers la cavité et, la saumure résultante 12 est amenée de force à remonter dans 40 le tube 7 de retour de saumure, qui sort du puits à travers le tu 71 03766 7. 2080955 be 13 de sortie de saumure vers une cuve de stockage (non représentée). On ne représente pas sur le diagramme les pompes classiques utilisées pour amener de force l'eau à descendre et à sortir du puits de mine et les vannes et équipements associés. 5 Une alimentation d'huile 14, telle que du pétrole brut ayant une densité inférieure à 1,0, est introduite dans une entrée d'huile 15 et l'huile est transmise entre le tubage 1 et le tube 5 jusqu'à un point au-dessus du fond 6 du tube pour l'eau 5, en empêchant ainsi l'eau d'attaquer le sel dans le puits. Le sel est a-10 lors exploité et une cavité initiale 17 se forme, telle que représentée sur la figure 2. Il est exploité initialement à un faible taux d'écoulement, si bien que de la saumure utilisable peut être produite à partir du puits en cours de formation, en éliminant ainsi la nécessité d'avoir à évacuer ou à travailler à nouveau la sau-15 mure faiblement concentrée. On se réfère maintenant à la figure 2 qui illustre la première cavité 17 formée, ayant une dimension d'environ 91*4 mètres de diamètre sur environ 30,5 mètres de hauteur, et qui montre les produits insolubles 18 au fond de la cavité 17. L'huile 14 forme 20 un tampon d'huile 19 qui sépare la couche aqueuse du toit de la cavité. Lorsque le sel est dissous, une cavité se forme, telle que représentés sur la figure 2. L'huile trouve son propre niveau en travers du toit de la cavité pour former un tampon 19 séparant le sel exposé le long du toit, de l'eau pénétrant dans la cavité, en 25 amenant ainsi de force la dissolution du sel dans une direction allant vers l'extérieur plutôt que dans une direction allant vers l'intérieur. Une fois formée, la cavité initiale de hauteur et de largeur désirées sert de récipient pour recevoir la majeure partie des produits insolubles qui sont produits par le puits* La pression 30 sur l'huile est alors réduite en élevant le niveau d'huile jusqu'à une nouvelle hauteur d'environ 15*2 mètres au-dessus du précédent niveau. Pratiquement, les pressions opératoires de l'huile sont de p l'ordre de 42 kg/cm (surface) pour un puits de cette dimension (profondeur d'environ I.I89 mètres - 1.220 mètres), -une variation p 35 d'environ 0,525 kg/cm étant trouvée convenable pour déplacer 1' huile d'une hauteur de 15*2 mètres. Quand l'huile est retirée du toit sur le diamètre du puits, on obtient une augmentation de la production de saumure saturée, puisque la densité de la saumure est fonction de l'aire de surface de sel exposée à la dissolution. Dans 40 l'exploitation de dépôts de sel allongés verticalement, on obtient 71 03766 8. 2080955 finalement une production allant jusqu'à 3.785 litres par minute par puits de saumure saturée. La figure 3 représente le puits allongé verticalement durant les derniers stades de l'exploitation minière du puits au 5 moyen d'une solution. Le tampon d'huile 19 protège à nouveau le toit de la cavité de toute attaque par le solvant, alors que les côtés de la cavité restent exposés à la dissolution. En fait, cette cavité cylindrique peut avoir plusieurs centaines de mètres de largeur et plusieurs milliers de mètres de hauteur. Une ceinture 10 de sel 20 ayant plusieurs centaines de mètres d'épaisseur est laissée non exploitée pour empêcher l'excavation du gravier et du roc 2 au-dessus. L'épaisseur de cette ceinture de sel non exploitée dépend de la hauteur de la cavité en dessous. Une cavité de cette dimension, par exemple, exigerait une ceinture de sel de sécurité 15 d'une épaisseur de 152 - 183 mètres. La présente invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation qui viennent d'être décrits, elle est au contraire susceptible de variantes et de modifications qui apparaîtront à 1'homme de 1'art. 71 03766 9. 2080955 REVENDICATIONS 1 - Procédé d'exploitation minière, au moyen d'une solution, de dépôts solubles dans lequel une solution aqueuse de solvant est introduite dans un puits pour dissoudre les produits so- 5 lubies, caractérisé en ce qu'il consiste à maintenir un tampon d'une fraction de pétrole liquide, non miscible à l'eau, entre la solution aqueuse de solvant dans la cavité en cours de formation du puits et les dépôts solubles supérieurs de cette cavité. 2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce 10 que le tampon de pétrole liquide est maintenu dans la cavité sous O une pression de surface d'environ 3,5 à 70 kg/cm . 3 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le tampon de pétrole liquide est maintenu dans la cavité sous O une pression d'environ 7 à 52,5 kg/cm . 15 4 - Procédé d'exploitation minière continue, au moyen d'u ne solution, d'un sel soluble, dans lequel une solution aqueuse de solvant est introduite dans une cavité de mine et évacuée sous forme de saumure, caractérisé en ce qu'il consiste à introduire, diiis cette cavité, un liquide à base de pétrole non miscible avec l'eau, 20 ayant une densité inférieure à celle de la solution aqueuse de solvant dans la cavité, sous une pression suffisante pour former un tampon d'huile de séparation de liquide à base de pétrole entre la solution aqueuse de solvant et le produit soluble supérieur dans la cavité, où la solution aqueuse de solvant dissout le sel princi-25 paiement à partir des parois de la cavité jusqu'à un point prédéterminé et, ensuite, en changeant le niveau du tampon d'huile de pétrole par relâchement de la pression sur ce tampon à une valeur suffisante pour replacer le tampon à un niveau supérieur, en formant ainsi une cavité sensiblement cylindrique, de dimension sensi-30 blement prédéterminée. 5 - Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que la saumure retirée est une solution de sel sensiblement saturée. 6 - Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que la saumure a une densité d'environ 1,2. 35 7 - Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que le tampon d'huile de pétrole est élevé périodiquement en retirant une certaine quantité d'huile durant la dissolution du produit soluble. 8 - Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce 40 que le liquide à base de pétrole est du pétrole brut. 71 03766 10. 2080955 9 - Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que le tampon d'huile comprend un liquide à base de pétrole ayant une densité de 0,7 à 1,0.