Brevet FR2119805A1 — publié le 19720811

' La présente invention se rapporte d'une manière générale au stockage souterrain de gaz, et plus particulièrement aux installations pour l'exploitation d'une réserve de gaz combustible formant volant de consommation à court terme stockée sous pression 5 élevée dans une cavité artificielle , par exemple formée par dissolution contrôlée d'une couche de sel. Il est. bien .connu sue la consommation des gaz manufacturés et surtout des gaz naturels va constamment croissant, en raison de la facilité d'emploi de ce combustible. La desserte d'un nombre 10 toujours plus important d''utilisateurs et le caractère périodiquement variable de leurs besoins ont rapidement amené les distributeurs de gaz combustibles à se prémunir contre tout risque de rupture de service par la constitution de réserves permettant de satisfaire aux pointes de consommation sans investissement exagéré 15 au niveau de la production. Compte tenu de l'importance de la consommation et de l'étendue géographique des réseaux de distribution, ces réserves correspondent à des volumes de gaz très importants, qui ne peuvent raisonnablement être-stockés dans des enceintes construites de main d'homme, telles que les classiques 20 gazomètres. De ce fait, il est devenu courant d'utiliser pour le stockage de gaz combustible des structures géologiques formant pièges, telles que des gisements de pétrole ou de gaz naturel épuises ci des couchas aquifères. Une autre technique de stockage consiste à conserver le gaz à l'état liquéfié. 25 La première oolution a pour inconvénient essentiel que les structures géologiques requises ne se trouvent que rarement à . proximité des centres de coAsommation, et d3 autre part ne présentent pas toujours les caractéristiques requises quant à lfétanchéité du toit et à la porosité de la couche de stockage ; c'est dire que 30 non seulement elle implique un risque certain de pertes d'un produit coûteux, mais encore ne permet pas les soutirages rapides nécessaires pour la compensation instantanée des pointes de consommation, la seconde technique pour sa part implique non seulement la construction de réservoirs artificiels hautement élaborés, mais encore des 35 opérations successives de liquéfation et de gazéification de coût-non négligeable. Afin de pallier les inconvénients susmentionnés des techniques COPY 70 34038 2 2119805 de stockage antérieurement connues, il a été proposé de recourir pour l'écrêtement des extrêmes pointes de consommation à une technique nouvelle et prometteuse, selon laquelle le gaz est stocké sous pression élevée dans des cavités formées par dissolution contrôlée 5 de couches de sel ; cette technique a pour avantages essentiels que le stockage du gaz dans une cavité supprime tous les problèmes relatifs à la capacité et à la porosité de la roche magasin, et par suite permet de déterminer à volonté le volume de gaz stocké et le débit maximal de soutirage, tandis que la distribution géographique 10 des gisements de sel permet dans la plupart des cas le stockage des gaz au voisinage quasi-immédiat des centres de consommation. le stockage souterrain des gaz sous pression élevée dans une cavité formée par dissolution contrôlée d'une couche de sel pose néanmoins des problèmes techniques délicats, le premier de ces 15 problèmes est la_création d'une cavité de dimensions et de configuration adéquates, possédant la résistance mécanique et l'étanchéité requises pour le stockage souterrain de gaz. Ce problème sort du cadre de la présente invention, qui se rapporte essentiellement aux difficultés qu'entraîne l'exploitation d'une telle cavité 20 .préalablement créée. En effet, cette exploitation présente de nombreuses difficultés, surtout lorsqu'une réserve de gaz combustible très importante doit être mise en oeuvre pour compenser les pointes de consommation à courte périodicité, et par exemple quotidienne, d'un centre urbain et/ou industriel, la première de ces 25 difficultés, déjà évoquée, tient à l'étanchéité de la cavité, qui doit être parfaite pour éviter toute déperdition du gaz stocké, qui' équivaut à l'immobilisation d'un capital très important, sans même tenir compte des risques"d'accidents qu'entraîneraient des fuites de gaz. Le second problème découle de l'importance des 30 investissements consentis, qui ne peuvent être rentabilisés que sur une durée d'exploitation prolongée, de l'ordre de plusieurs dizaines d'années, ce qui implique nécessairement une surveillance et une maintenance assidues de l'équipement mis en oeuvre. L'invention a précisément pour objet une installation pour le 35 stockage souterrain de gaz conforme à la technique spécifiée, qui présente la meilleure souplesse d'exploitation tout en offrant les plus grandes garanties de sécurité et de durée de vie, grâce à la 70 34038 3 2119805 aise en oeuvre de uoyens Techniques appropriés, pour certains déjà connus, mais dent la combinaison satisfait aux besoins particuliers de l'exploitation d'une telle installation. En effet, une installation conforme s l'invention pour le 5 stockage souterua i.n £>^2/, si tammtij. l pour x ■ cloi ûc: i .n ù'une réserve de gaz combustible formant volant de consommation à court terme stockée sous pression élevée dans une cavité artificielle, par exemple formée par dissolution contrôlée d'une couche de sel, comprend en combinaison un puits à cuvelage etanche dans lequel 10 sont agencés des conduits de gaz et saumure reliant ladite cavité à une tête de puits équipée pour pei-mettre alternativement l'injection sous pression de gaz à stocker et le soutirage de gaz stocké en vue de sa distribution, ainsi que la surveillance et la maintenance de l'équipement souterrain et de la cavité, et 15 l'isolement éventuel de cette dernière. L'installation conforme s. l'invention est essentiellement caractérisée en ce jue- 1'extrémité inférieure du conduit de saumure étant ooturée par un bouchon qui normalement interdit toute variation du niveau du lit de saumure formant joint hydraulique, ZO de sorte que les compressions et décompressions alternées du gaz stocké se produisent à volume constant dans des conditions sensiblement adiabatiques- la paroi interne du cuvelage cimenté est thermiquement isolée du gaz par une couche d'huile ou autre fluide inerte contenu dans un chemisage concentrique à ladite 25 paroi et raccordé à cette dernière à son extrémité inférieure par un joint d'etandhéxté coulissanttandis que toute décompression brutale du gaz est interdite par un obturateur annulaire de sécurité, implanté au-dessous du niveau du sol à l'extrémité inférieure d'un tube traversant ls tête de puits parallèlement au conduit de saumure 30 désaxé à cet effet, ledit tube constituant un cylindre hydraulique dlactionnement dudit obturateur à la fermeture par manque de pression, La combinaison de moyens qui vient d'être spécifiée répond en effet aux impératifs que pose l'exploitation d'une installation de stockage du type concerné, et notamment permet de pallier les 35 problèmes thermiques liés à la compression ou à la décompression rapide du gaz stocké, ainsi que de satisfaire aux exigences de sécurité que pose la conservation d'une telle masse de gaz. Compte 70 34038 4- 2119805 tenu de la fonction de la réserve, la compression et la décompression du gaz s'accompagnent en effet de variations de sa température de l'ordre d'une centaine de degrés centigrades, qui provoquent "bien évidemment des dilatations différentielles qui, 5 sauf précautions spéciales aboutiraient à une détérioration rapide de l'équipement avec tous les risques d'accident que cela implique. Un tel accident n'étant jamais à exclure, il est par ailleurs indispensable de prévoir des dispositions de sécurité qui permettent d'isoler 'efficacement la réserve de gaz stocké ; 0 pour que ces dispositions offrent les meilleures garanties de "bon fonctionnement, il importe de les soustraire à toute influence extérieure néfaste, et particulièrement à l'effet des intempéries et aux conséquences d'accident survenant au niveau de la tête de puits, d'où leur implantation au-dessous du niveau du sol. 15 l'installation objet de l'invention satisfait à l'ensemble de ces critères, Selon un autre aspect de l'invention, letube précité formant cylindre hydraulique est prolongé, de même que le tube de saumure, si besoin est, par un sas tubulaire étanche pourvu d^une vanne 20 à passage direct permettant l'introduction dans le puits et dans la cavité de moyens de surveillance ou de maintenance. Cette disposition permet d'effectuer sans risque et sans interruption de service les opérations nécessaires au bon fonctionnement et à la durée de service de l'installation. 25 Selon encore une autre caractéristique de l'installation objet de l'invention, le lit de saumure précité est recouvert d'une couche d'huile ou autre liquide inerte interdisant son evaporation dans le gaz stocké. Cette disposition a pour avantage de permettre une survei3_lance 30 facile du niveau de l'interface saumure/gaz, de supprimer le risque de corrosion de l'équipement par le gaz soutiré, et de rendre superflue l'épuration de ce dernier avant sa livraison à la consommation, qui peut donc être effectuée directement, en mettant à profit la pression résiduelle du gaz. 35 D'autres caractéristiques et avantages de l'invention . apparaîtront plus clairement à la lecture de la description détaillée qui suit d'un exemple de mise en oeuvre non limitatif 70 34038 5 2119805 illustré par les dessins annexés, sur lesquels : - les figures 1a, 1b et 1ç représentent en coupe schématique une installation conforme à l'invention, respectivement au niveau de la tête de puits, de la section courante du puits, et de la 5 cavité de stockage. L'installation pour le stockage souterrain de gaz combustible représentée sur les dessins annexés comprend essentiellement une tête de puits montrée sur la figure 1a, qui est raccordée à une cavité souterraine représentée sur la figure 1_ç par un puits dont 10 la section courante est montrée sur la figure 1b. Le puits est constitué d'un cuvelage cimenté étanche 10 à l'intérieur duquel est disposé un chemisage concentrique 11 dont l'extrémité inférieure est fermée par un joint d'étanchéité annulaire coulissant J (figure 1çJ. La double paroi ainsi constituée est maintenue 15 emplie d'un fluide inerte tel que de l'eau, de l'huile, de l'azote ou autre, au moyen d'un réservoir R associé à la tête de puits (figure 1a). Dans l'axe du cuvelage 10 et de son chemisage 11 est disposé un conduit de saumure 12 de forte section courante (figure 1b), afin de réduire les pertes de chargeelorsque la cavité 20 souterraine Ç (figure 1c.) est vidée de la saumure issue du lessivage d'une couche de sel gemme G lors de la constitution de la réserve de gaz. L'extrémité inférieure 13 du conduit de saumure 12 est rétrécie pour permettre son libre passage à travers le joint d'étanchéité (figure 1_ç), et vient plonger dans un lit de saumure 25 S réservé au fond de la cavité Ç, le débouché du conduit de saumure étant obturé par un bouchon amovible 14 destiné à interdire toute remontée de saumure, dont 1"évaporation est par ailleurs interdite par une couche d'huile H. A titre purement indicatif, on mentionnera ci-après quelques 30 ordres de grandeur relatifs à une installation concrète. La cavité Ç, haute d'une centaine de mètres et formée à une profondeur de l'ordre de 1 500 mètres, comme indiqué, présente une capacité 3 d'environ 100 000 m . Le gaz y est stocké sous une pression variant de 80 à 220 bars ce qui représente une quantité totale 3 35 de gaz disponible d'environ 15 000 000 Hm et un débit possible de 1 000 000 Km jour. Compte tenu de la densité des roches en cause, la pression peut atteindre 1,7 bars par 10 mètres de 70 34038 6 2119805 profondeur, soit 230 bars au fond, avec une marge de sécurité importante. La pression minimale de 80 bars permet la distribution du gaz soutiré sans recompression préalable, et assure la stabilité de la cavité Ç par son effet hydrostatique. 5 Pour permettre l'écoulement du débit de pointe susmentionné, le diamètre du cuvelage est de l'ordre de 25 cm, tandis que celui de la section courante du tube de saumure est de l'ordre de 10 cm, le diamètre de sa section terminale rétrécie étant d'environ 7,5 cm. 10 Le tête de puits (figure 1a) est avantageusement disposée au fond d'une fosse F pour des raisons de sécurité. Environ 10 m au-dessous du fond de la fosse F est agencé un obturateur 0 traversé par le portion terminale supérieure rétrécie 15 du conduit de saumure 12, qui est désaxée de manière à laisser place 15 à 1'obturateur proprement dit, qui comprend un clapet mobile 16 susceptible d'être amené en engagement avec un siège 17 pour obturer des lumières périphériques 18 de passage du gaz. Le clapet 16 est actionné à fermeture par manque de pression d'huile dans un cylindre hydraulique constitué par un tube 19, dans 20 lequel une pression déterminée est normalement maintenue par un dispositif de pressurisation P. Comme montré sur la figure 1a, le tube 19 et la partie terminale rétrécie 15 du conduit de saumure traversent côte à côte la tête de puits, à l'extérieur de laquelle ils peuvent être prolongés, 25 quand besoin est, par des sas tubulaires respectifs -20, 21, des vannes à passage direct 22, 24 permettant l'insertion dans le puits ou dans la cavité d'outils ou d'appareils de surveillance, ainsi que l'échange des organes de sécurité, tels que le clapet de l'obturateur 0 et le bouchon 14. La tête de puits comporte en 30 outre diverses vannes, dont une vanne de gaz Y G, une vanne de saumure Y S, une vanne d'huile ? H et une vanne de liquide sous pression Y P. Les différents organes de l'installation déjà mentionnés étant amplement connus dans les techniques de forage ne seront pas 35 décrits plus avant. Par contre, le mode d'exploitation de l'installation, directement lié à l'objet de l'invention, va maintenant être décrit en détail. 70 34038 7 .2119805 Lu fait .if; la présence du fcoueh.cn 14 obturant l'extrémité inférieure 13 iv. conduit de saumure 12 (figure 1ç) un lit de saumure S à ni^aau constant est maintenu au fond de la. cavité Ç pour former v-r. joint hydraulique évitant tout échappement de 5 gaz par le ccnl.it ds saumure. Comme déjà indiqué, 1"evaporation •ie la saumure est empêchée par la présence 3.'une couche d'huile H ou autre liquide inerte à sa surface. Lara ces conditions, le gaz stocké dans la cavité 2 sst' alternativement soumis à des compressions et décompressions à volume constant lors d'une injection 10 ou d'un soutirage de gaz respectivement. Lu fait du volume de gaz en cause et du caractère relativement isolant du sel gemme G dans lequel est formée la cavité, ces compressions et décompressions se produisent dans des conditions sensiblement adiabatiques, et donc s'accompagnent respectivement d'un échauffement et d'un refroidisse-15 ment du gaz pouvant atteindre la centaine de dégrés. Cest dire que tous les éléments de l'installation en contact avec le gaz sont sujets à des dilatations importantes, et que sauf précautions particulières leurs dilatations différentielles pourraient conduire à la détérioration d'au moins certains éléments de l'équipement. 20 Une première précaution consiste, comme déjà mentionné, à isoler le cuvelage étanche 10 du gaz par interposition d'une couche de fluide inerte contenu dans le chemisage 11. Ce dernier étant directement exposé au contact du gaz alors que le cuvelage en est préservé, la présence du joint coulissant J à l'extrémité du 25 chemisage permet d'en absorber sans dommage les dilatations différentielles, qui peuvent atteindre plusieurs décimètres pour une profondeur de puits de l'ordre de 1 500 m. La présence du chemisage 11 et du joint coulissant associé J permet donc une protection efficace du cuvelage à 1'encontre des conséquences de 30 variations de température du gaz, ce qui a notamment pour avantage d'en garantir la bonne étanchéité pendant sa durée de service prévisible. Comme déjà indiqué, d'une part la bonne conservation de la cavité Ç_ implique le maintien d'une pression hydrostatique minimale, 35 et d'autre part il convient d'éviter toute détente excessive du gaz contenu dans ladite cavité, qui conduirait à des refroidissements incompatibles avec la bonne tenue de l'équipement. 70 34038 8 19805 En conséquence, afin d'éviter toute décompression o ntale du gaz stocké, l'installation est pourvue d'un obturateur 0 de naute sécurité, avantageusement implanté au-dessous du niveau du sol pour le préserver des influences extérieures, et actionné positive-5 ment à l'ouverture, de manière que sa fermeture se produise automatiquement en cas de défaut de fonctionnement de l'installation. le caractère impératif de la fiabilité de fonctionnement de cet obturateur 0 conduit, compte tenu de la durée de service de l'installation, à en prévoir la visite et voire même l'échange 10 périodiques, ce qui justifie la .structure de la tête de puits, et notamment l'agencement du tube 19 parallèlement au conduit de saumure 15, et an prolongement par le sas tubulaire étanche 20 équipé d'une vanne à passage direct 22. l'adjonction d'un sas similaire 2.1 au conduit de saumure 12 15 peut se justifier par la nécessité de pouvoir périodiquement vérifier ou échanger le bouchon 14, ou bien mesurer et régler le niveau du lit de saumure S. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée au mode de mise en oeuvre qui vient d'être sommairement décrit et n'a été 20 donné qu:à titre d'exemple : ainsi et en particulier, l'invention pourrait être i'acilement adaptée à l'exploitation de cavités souterraines créées par d'autres moyens que la dissolution de sel. Donc r iJinvention comprend tous les moyens constituant des équivalents techniques de ceux décrits et illustrés, considérés 25 séparément eu en combinaison et mis en oeuvre dans le. cadre des revendications qui suivent. 70 34038 9 2119805 -REVEÏTDICATIOIS- 1. - Installation pour le stockage souterrain de gaz, et notamment pour l'exploitation d'une réserve de gaz combustible formant volant de consommation à court terme stockée sous pression élevée dans une cavité artificielle par exemple formée par 5 dissolution contrôlée d'une couche de sel, comprenant en combinaison un puits à cuvelage étanche dans lequel sont agencés des conduits de gaz et de saumure reliant ladite cavité à une tête de puits équipée pour permettre alternativement l'injection sous pression de gaz à stocker et le soutirage de gaz stocké en vue de sa distribution, 10 ainsi que la surveillance et la maintenance de l'équipement souterrain et de la cavité, et l'isolement éventuel de cette dernière caractérisée en ce que -l'extrémité inférieure 13 du conduit de saumure 12 étant obturée par un bouchon 14 qui normalement interdit toute variation du niveau du lit de saumure S, formant joint 15 hydraulique, de sorte que les compressions et décompressions alternées du gaz stocké se produisent à volume constant dans des conditions sensiblement adiabatiques- la paroi interne du cuvelage cimenté 10 est thermiquement isolée du gaz par une couche d'huile ou autre fluide inerte contenu dans un chemisage 11 20 concentrique à ladite paroi et raccordé à cette dernière à son extrémité inférieure par un joint d'étanchéité coulissant J, tandis que toute décompression brutale du gaz stocké est interdite par un obturateur annulaire de sécurité 0, implanté au-dessous du niveau du sol F à l'extrémité inférieure d'un tube 19 traversant la tête 25 de puits parallèlement à l'éxtrémité 15 du conduit de saumure rétréci et désaxé à cet . effet, ledit tube constituant un cylindre hydraulique d'actionnement dudit obturateur à la fermeture par manque de pression. 2. - Installation selon la revendication 1, caractérisée en 30 ce que le tube 19 formant cylindre hydraulique est prolongé, de même que le tube de saumure 15 parallèle,si besoin est, par un sas tubulaire étanche 20 pourvu d'une vanne à passage direct 22 permettant l'introduction dans le puits et dans la cavité 0 de moyens de surveillance ou de maintenance. 10 3. - Installation selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisée en ce que le lit de saumure S est recouvert d'une couche d'huile H ou autre liquide inerte interdisant son evaporation dans la cavité Ç' et par suite son entraînement par 5 le gaz soutiré de cette dernière.