Brevet FR2288851A1 — publié le 19760521

Les méthodes traditionnelles d'exploitation souterraine du charbon et des schistes bitumineux impliquent une grande utilisation de main d'oeuvre pour la création de puits et de galeries d'accès, pour l'exploitation des tailles dont il faut déplacer le soutènement au fur et à mesure de la progression des chantiers et pour le transport des produits abattus depuis le fond jusqu'à la surface. Dans de nombreux pays, ces méthodes de production sont devenues non rentables, ce qui a conduit à l'abandon de vastes gisements. Pour les gisements à faible profondeur, une solution de rechange a été trouvée par le développement des exploitations "à ciel ouvert" qui impliquent la découverture du gisement afin qu'il puisse être exploité au moyen de pelles mécaniques, de dragues ou de roues à godets montées sur des engins très puissants progressant sur roues ou sur chenilles. Pour les gisements plus profonds ou pour les gisements dont la puissance ne justifierait pas l'exécution de vastes travaux de découverture, on a tenté des méthodes d'exploitation 'tin situ" par gazéification souterraine; la technique utilisée jusqu'à présent implique la création préalable d'un circuit de circulation de l'air et des gaz comportant au minimum un puits ou un sondage d'entrée d'air, une galerie en veine et un puits ou un sondage de sortie des gaz. En dépit de nombreuses tentatives, la méthode n'a pas réussi à se généraliser en raison de trois défauts majeurs: - il s'est avéré impossible de contrler la progression de la gazéification et d'éviter que l'air et les gaz quittent le circuit principal et s'insinuent dans les zones d'éboulis provoquées par la progression du chantier; - le pouvoir caiorifique des gaz produits est resté très infé rieur aux prévisions, le manque de contrôle de la progression de la gazéification entratnant une transformation du carbone en G02 plut8t qu'en CO; - il s'est avéré impossible de réaliser une exploitation ra tionnelle des couches et la plupart des expériences n'ont porté que sur une infime partie des réserves de combustibles contenues dans le gisement. Pour surmonter ces difficultés, l'idée a été émise de réaliser la gazéification à partir d'un ou de plusieurs sondages par un procédé cyclique comportant successivement une phase d'injection d'air ou de gaz réactif sous pression (en particulier H2), une phase de réaction et une phase de détente des gaz produits. Enfin plus récemment, l'idée a été émise d'exploiter les gisements de schistes bitumineux en réalisant un vaste gazogène souterrain à partir d'une explosion nucléaire qui aurait pour effet de fournir la chaleur nécessaire à la distillation des bitumes qui imprègnent les schistes et de créer une zone de fracturation à travers laquelle se dégageraient les gaz de distillation. Cependant, cette méthode n'a pas encore fait l'objet d'une expérimentation et il est vraisemblable qu'en raison des risques de contamination des nappes phréatiques par les sousproduits des réactions nucléaires, son application éventuelle ne pourra être envisagée que dans des zones désertiques. Le procédé conforme à l'invention a pour objet d'exploiter l'énergie contenue dans les gisements de houille ou de schistes bitumineux situés à moyenne et à grande profondeur par la création d'un gazogène souterrain réalisé sans recourir à l'énergie nucléaire et qui affecterait tout un faisceau de veines ainsi que les roches intercalaires. Il est caractérisé par le fait que l'opération de gazéification, réalisée dans la partie inférieure du gisement, est combinée avec un captage des gaz riches qui se dégagent dans la partie supérieure du gisement par désorption de grisou et distillation de matières volatiles, du fait de la détente, de la fissuration et de l'échauffement des terrains. L'opération de gazéification de la partie inférieure du gisement s'effectue à partir d'une ou plusieurs chambres de réaction préalablement réalisées dans la couche de base du gisement à exploiter, en utilisant une méthode cyclique qui comporte une alternance de périodes de compression de comburant et de détente des gaz produits, les pressions atteintes en fin de chacune des phases de compression étant de l'ordre de 40 à 100 atmosphères et, éventuellement, davantage. Les roches qui s'intercalent entre les différentes couches du gisement, portées à haute température par leur contact répété avec les produits de combustion et de gazéification, jouent le rôle d'accumulateur dont la chaleur peut être utilisée pendant la période de gazéification, en vue de la production de vapeur et de gaz à l'eau, ou après l'achèvement de la gazéification, pour la production de vapeur et d'eau chaude, en vue de l'alimentation d'une centrale électrique ou d'un chauffage urbain. La conception générale du procédé conforme à l'invention peut être décrite de la façon suivante, en se référant à la figure I qui représente une coupe à travers un gisement houiller réalisée par un plan vertical passant par un sondage Sa que l'on appellera "sondage de gazéification" et par un sondage S2 que l'on appellera "sondage de captage". On suppose que l'on se propose d'exploiter par gazéification souterraine un gisement vierge s'étendant en profondeur depuis le niveau stratigraphique N2 jusqu'au niveau stratigraphique N1. les travaux préparatoires consisteront dans la création d'un ou de plusieurs sondages "de gazéification tels que S1 creusés jusqu'à une couche d'une puissance suffisamment importante située au niveau stratigraphique inférieur N1 et dans la création d'un ou de plusieurs sondages de captage" tels que S2 creusés jusqu'au niveau stratigraphique supérieur N2. Au cas où il existerait au sommet du gisement une couche de forte porosité favorable au captage et à la circulation des gaz, les sondages de captage s'arrêteront dans cette couche. Si aucune couche de ce genre n'existe à l'état naturel, elle sera créée artificiellement par la méthode de "fracking" utilisée en exploitation pétrolière, méthode qui consiste à injecter de l'eau additionnée de sable et d'agents mouillants sous une pression qui dépasse sensiblement la pression moyenne résultant du poids des terrains sus-jacents. Si l'exploitation a pour but de recueillir une quantité maximum d'énergie sous forme de gaz riche, on pourra avantageusement compléter la préparation du gisement par un ou plusieurs sondages de captage supplémentaires tels que S3 au moyen desquels il sera procédé à des opérations de "fracking" à un ou plusieurs niveaux stratigraphiques intermédiaires. Les sondages de gazéification" s'arrêteront dans une couche comportant une importante masse de combustible. A la base de chacun de ces sondages, on réalisera une "chambre de réaction" C d'un volume sensiblement supérieur au volume propre du sondage. Pour la réalisation cette chambre, on pourra recourir à une technique de combustion, de fracking, de pochage à l'explosif ou à une technique d'affouillement hydraulique et de pompage, si on a affaire à une couche de charbon susceptible de s'émietter par simple détente comme le font les couches des gisements grisouteux dits "à dégagements instantanés. Les sondages "de gazéification" et les sondages "de captage" seront pourvus de tubages métalliques étanches. Pour les sondages de captage, l'acier ordinaire peut convenir. Pour les sondages de gazéification, on recourra tout au moins dans la partie inférieure du tubage (entre les niveaux Na et N2) à des tubes en acier réfractaire à haute teneur en chrome et en nickel, susceptibles de résister à des températures de l'ordre de 1.200 à 1.3000C. La réalisation de l'étanchéité entre le sol et la partie supérieure du tubage des sondages de gazéification fera l'objet de soins tout particuliers; en effet, il faut éviter toute possibilité de fuites de gaz en dépit des hautes pressions utilisées et il faut permettre les mouvements de dilatation et de contraction thermique du tubage résultant des variations de température au cours des différentes phases du procédé cyclique de gazéification. A titre exemplatif et sans que ceci constitue une condition limitative d'application du procédé, on peut envisager de réaliser l'étanchéité au moyen d'une couche de ciment réfractaire spécial, à faible coéfficient de dilatation (du genre de ceux qui sont utilisés dans la construction de la fumisterie des fours industriels). Cette couche, établie un peu au-dessus du niveau N2, serait surmontée d'un bourrage de grande hauteur réalisé à partir de matériaux thermoplastiques (asphalte, brai, bitumes ou plastiques de synthèse) qui, par leur ramollissement, permettront la libre dilatation du tubage tout en s'opposant à des fuites de gaz. La première phase des opérations d'exploitation consistera dans la mise à feu de la couche de combustible située à la base du gisement. Pour cette mise à feu, on pourra s'aider de différentes méthodes pyrotechniques telles que la combustion de poudre noire déclenchée par un dispositif électrique ou la rupture d'une capsule contenant du phosphore (bombe incendiaire). Dès le début de cette mise à feu, le tubage du sondage de gazéification sera pourvu d'une fermeture étanche et on commencera sa mise en pression progressive au moyen d'air comprimé, éventuellement enrichi par une addition d'oxygène, in jecté à travers la vanne A. Lorsque la pression de comburant aura atteint la limite permise par l'installation de compression disponible en surface, la vanne d'admission A sera fermée et le sondage restera hermétiquement clos pendant un certain laps de temps pour permettre l'homogénéisation des masses gazeuses injectées dans la chambre de réaction. Après cette période de "digestion", on amorcera la détente du gaz de gazéification en ouvrant la vanne B par laquelle les gaz sortants seront conduits vers une turbine de détente précédée d'un dispositif d'épuration destiné à arrêter les poussières et autres polluants susceptibles d'endommager la turbine. Après achèvement de cette détente, on abordera un deuxième cycle de gazéification par l'injection d'une nouvelle quantité de comburant et le procédé se poursuivra sans discontinuer par des alternances d'injection de comburant et de détente des gaz de gazéification. A chaque cycle, une certaine quantité de houille se trouve gazéifiée et il en résulte une augmentation progressive du volume de la chambre située au fond du sondage de gazéification. Le vide créé par cette "extraction" de charbon à l'état gazeux entrarnera un affaissement des couches sédimentaires situées au-dessus de la veine, cette zone détendue étant limitée comme dans les exploitations traditionnelles par la formation d'une volte naturelle qui, dans le cas présent, prendra une forme de dôme. Lorsque la "chambre de réaction" atteindra une certaine surface, il se produira une désagrégation des bancs de roche qui constituent le toit de la veine et les vides se trouveront comblés par le foisonnement des blocs provenant de ce foudroyage naturel du toit. Au-dessus de cette zone de foudroyage, une certaine fissuration des roches se développera dans toute la zone détendue et la diminution de la pression des terrains amènera un important dégagement de grisou par désorption des gaz contenus dans l'ensemble des veines et des veinettes du massif houiller. Dans le procédé conforme à l'invention, l'apparition de ces phénomènes de foudroyage ne constitue pas un inconvénient mais fait partie intégrante du développement du procédé. En effet, ces zones foudroyées présentent une très grande perméabilité et ne réduisent pas sensiblement le volume utile de la chambre de réaction, ce volume étant constitué par l'ensemble des vides qui subsistent entre les blocs. Par ailleurs, si dans les procédés anciens l'apparition du foudroyage amenait la perte de comburant par cheminement à travers des zones froides à l'écart du front de gazéification de la houille, dans le procédé conforme à l'invention, ces inconvénients sont évités en raison de deux circonstances favorables: 10) En gisement vierge, les terrains houillers présentent une très grande imperméabilité et cette imperméabilité peut encore être accentuée par les effets de compression qui se développent dans la voûte naturelle qui limite la zone foudroyée, qui se comporte comme ltenveloppe étanche d'un gazogène à haute pression. 20) À l'intérieur de cette "enveloppe", l'activité des échanges thermiques entre les gaz et les roches foudroyées est par ticulièrement grande, en raison de l'utilisation d'un comburant à pression très élevée et en raison de la nature cyclique du procédé qui entraîne une répétition du contact entre les roches et les gaz chauds à chaque période de compression et à chaque période de détente. les considérations qui précèdent montrent qu'en fait, c'est toute la zone de roches éboulées qui sera rapidement portée à haute température par le développement du procédé, de sorte que l'inflammation pourra se propager, atteindre les veinettes situées dans le toit de la couche puis ultérieurement les veines situées à un niveau stratigraphique nettement plus élevé. L'amas de roches incombustibles qui s'accumule au voisinage du pied du sondage de gazéification joue, dans une certaine mesure, le r81e d'un régénérateur de chaleur préchauffant le comburant pendant les périodes d'injection et refroidissant les gaz pendant les périodes de détente. Ceci constitue un facteur favorable au maintien de températures très élevées dans les zones de réaction et de températures plus basses mieux compatibles avec la tenue du tubage, au voisinage du sondage. Pour que le procédé puisse se poursuivre sans incident, il est indispensable que l'on dispose de moyens permettant le contrôle des températures le long du sondage de gazéification et de moyens permettant d'intervenir pour accroltre ou pour ré- duire cette température. Cette condition sera réalisée en descendant au centre du sondage de gazéification un tube de petit diamètre porteur de thermocouples fixés à différents niveaux. les thermocouples permettront de connaître les températures qui règnent entre les niveaux N1 et N2. En cas de température excessive, on se réservera la possibilité d'injecter de l'eau par le tube central ce qui amènera un abaissement des températures, au fond du trou, par l'évaporation de l'eau et par le déroulement des réactions endothermiques de formation du gaz à l'eau: H20 + C = C0 + H2 ou 2 1120 + C = C02 + 2 H2 En cas de température insuffisante, on se réservera d'activer la combustion par une injection d'oxygène ou, éventuellement, par une injection d'huile ou de gaz combustible, si l'analyse des gaz fait apparaître un déficit momentané en combustible. De façon générale, on cherchera à maintenir les températures maximales relevées le long du sondage à un niveau de l'ordre de 1.0000 favorable au bon déroulement des réactions de gazéification. le déroulement du procédé, pendant une période de temps qui peut s'étendre sur des mois et éventuellement m8me sur des années, aboutira finalement à la formation d'un gazogène souterrain de grand volume et de grande hauteur rempli d'éboulis de roches à haute température et opérant à pression élevée. La progression de la zone de gazéification dans la couche de base et dans les veines et veinettes immédiatement sus-jacentes s'accompagne d'une extension progressive de la zone détendue et d'un relèvement de la volte naturelle qui limite cette zone, qui occupe successivement des positions telles que Vî, V2 et V3. Dès le moment où cette voûte vient à recouper les zones de "fracking" réalisées à partir dés sondages "de captage", dtimportants dégagements gazeux sont recueillis par ces sondages. Pour récupérer une quantité maximum de gaz riche, on procèdera à un réglage permanent de la contrepression des sondages de captage supplémentaires tels que S3 afin que le grisou et les gaz de distillation en provenance de la partie supérieure de la zone détendue se dégagent à travers S3 tout en évitant la montée d'une trop grande quantité de gaz pauvre en provenance de la zone de gazéification. La chaleur accumulée dans les roches, dans la partie inférieure du gisement, peut entre avantageusement utilisée pen dant. le déroulement de la gazéification, en vue d'augmenter la production de gaz riche utilisable comme substitut de gaz naturel ou comme gaz de synthèse chimique. En effet, lorsque les roches ont atteint une température suffisamment élevée, on peut arrêter momentanément l1in- jection de comburant et intercaler, en deux cycles de gazéification à l'air, un cycle d'injection d'eau ou de vapeur. Du fait de la présence des roches à haute température, on obtiendra une vapeur fortement surchauffée qui, au contact du charbon incandescent, pourra donner lieu à une production de gaz à l t eu et de méthane. En abaissant la pression dans le sondage S3, on favorisera l'infiltration de ces gaz et de la vapeur d'eau excédentaire dans les terrains qui recouvrent la zone de gazéification, ce qui aura pour effet complémentaire de favoriser le dégazage et la distillation des couches de charbon sus-jacentes. Il est à noter que le sondage de captage supérieur S2 a également pour objet de protéger les terrains sus-jacents contre des infiltrations de gaz sous pression, en provenance de la zone de gazéification. Pour remplir pleinement cet objectif, on veillera à ce que le fond de ce sondage soit en permanence maintenu à une pression égale ou inférieure à la pression atmosphérique. Lorsque les opérations de gazéification auront suffisamment progressé vers le haut et lorsque toutes les matières combustibles accessibles entre les niveaux N1 et N2 auront été distillées ou transformées en gaz pauvre, toutes les zones dans lesquelles aura progressé la gazéification se présenteront finalement sous la forme d'une énorme chambre remplie de roches éboulées portées à haute température. le stade ultime de l'exploitation du gisement sera constitué par la récupération de la chaleur sensible de ces roches, ce qui pourra être réalisé par injection d'eau froide à travers le sondage Si et par récupération de vapeur et d'eau chaude à travers le sondage S2. En résumé, toute l'énergie chimique accumulée dans la houille initialement contenue dans la zone de gazéification pourra finalement être libérée. Si cette zone, au stade final, a pris la forme approximative d'un ellipsoïde de 200 mètres de diamètre horizontal et de 300 mètres de haut, son volume pourra atteindre 6,3 millions de mètres cubes correspondant à quelques 15 millions de tonnes de roche. La quantité de houille initialement présente dans un tel volume de terrain houiller peut dépasser 1 million de tonnes ce qui correspond à une énergie thermique potentielle de l'ordre de 7 x îo12 kilocalories ou 7 millions de gigacalories. De cet énorme potentiel, il est possible de recueillir: - 20 à 25% sous forme de gaz riches immédiatement utilisables comme substitut de gaz naturel; - 50 à 60% sous forme de gaz pauvres sous pression susceptibles d'etre aisément convertis en énergie électrique par l'utilisa tion dtun cycle combiné de turbines à gaz et de chaudières de récupération; - 20 à 25* sous forme de chaleur accumulée dans les roches, susceptible hêtre utilisée pour la production de vapeur ou pour le chauffage urbain. Dans l'exposé qui précède, on s'est référé à la figure I sur laquelle n'est représenté qu'un seul sondage de gazéification. Pour l'exploitation industrielle du procédé conforme à l'invention, il est avantageux de procéder à l'exploitation simultanée de plusieurs sondages de gazéification foncés dans le même gisement. Pour rationaliser l'utilisation des compresseurs et des turbines de détente, on réalisera au minimum deux sondages dont l'exploitation sera déphasée d'une demi-période de telle façon que la période de compression d'une des deux unités corresponde à la période de détente de l'autre. Mais on peut également envisager de composer chacune de ces deux unités d'un certain nombre de sondages exploités en parallèle et alignés de telle façon que la zone d'influence d'un sondage interfère avec la zone d'influence du sondage voisin suivant la disposition représentée à la figure II qui constitue une vue en plan d'une concession ABCD exploitée à partir d'une centrale unique de captage des gaz riches, de compression d'air et de détente des gaz pauvres G installée au centre de gravité du gisement. Une première ligne de sondages comportant les unités E1 et W1 est en exploitation par la méthode d'alternance indiquée ci-dessus, tandis qu'une seconde ligne de sondages E2 et W2 est en préparation, la distance entre les deux lignes étant choisie de manière à réserver un stot de protection entre les zones d'influence. Revendications 1. Procédé d'exploitation d'un gisement de houille ou de schistes bitumineux, par dégazage, distillation et gazéification souterraine, caractérisé ence qu'il est procédé simultanément à un captage de gaz riche, dans la partie supérieure du gisement et à une gazéification de la houille ou des schistes bitumineux, dans la partie inférieure du gisement, cette gazéification ayant pour effet de provoquer une détente, une fissuration et un échauffement des roches sus-jacentes favorables à la désorption du grisou et au dégagement des matières volatiles. 2. Procédé suivstAarevendication 1, caractérisé en ce que la gazéification de la partie inférieure du gisement s'effectuant à partir d'une ou plusieurs chambres de réaction, préalablement réalisées dans la couche de base du gisement à exploiter, en utilisant une méthode cyclique qui comporte une alternance de périodes de compression de comburant et de détente des gaz produits, la pression atteinte en fin de chacune des phases de compression est de l'ordré de 40 à 100 atmosphères et éventuellement davantage. 3. Procédé 9UiVlt revendications 1 et 2 développé en gisement vierge et caractérisé par le fait que l'accès au gisement est réalisé par un ou plusieurs sondages de captage des gaz dont l'un au moins s'arrête au niveau stratigraphique supérieur du gisement à exploiter et par un ou plusieurs sondages de gazéification foncés jusqu'au niveau d'une couche de base de houille ou de schistes bitumineux située à la partie inférieure du gisement à exploiter, l'effet utile des sondages de captage étant éventuellement accru par la réalisation d'une ou de plusieurs opérations préalables de tIfracking" hydraulique et le volume de chacun des sondages de gazéification étant complété par la formation d'une chambre de réaction, d'un volume au moins égal au volume propre du sondage, réalisée dans la couche de base, par combustion, par fracking, par pochage à l'explosif, par affouillement hydraulique ou par tout autre méthode appropriée. 4. Procédé suiva*Bsrevendications 1 à 3, caractérisé par le fait que le fond du sondage de captage situé à la partie supérieure du gisement est maintenu, en permanence, à une pression égale ou inférieure à la pression atmosphérique, pour éviter les infiltrations de gaz dans les terrains sus-jacents. 5. Procédé suiatlsrevendications 1 à 4, caractérisé par le fait qu'un tuyau de faible diamètre porteur de thermocouples de mesure de la température- est introduit à l'intérieur de chaque sondage de gazéification, le réglage de la température dans la zone de gazéification étant obtenu suivant les circonstances par des injections d'eau ou par des injections d'huile, de gaz ou d'oxygène effectuées à travers ce tuyau de faible diamètre. 6e Procédé suivant les Evendications 1 à 5, caractérisé en ce que des injections d'eau ou de vapeur sont réalisées, entre deux cycles de gazéification, par un gaz oxydant afin que la chaleur accumulée dans les roches, dans la partie inférieure du gisement, serve à produire de la vapeur surchauffée donnant lieu à une production supplémentaire de gaz riche, par production de gaz à Ifeau, par méth anation et par distillation. 7. Procédé suivatisrevendications i et 2, caractérisé en ce que la chaleur accumulée dans les roches de la zone de gazéification est récupérée, en fin d'exploitation, par injection d'eau froide à travers les sondages de gazéification et récupération de vapeur ou d'eau chaude à travers les sondages de captage. 8. Procédé suiontisrevendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'exploitation comporte au minimum deux unités de gazéification dont l'exploitation est déphasée d'une demipériode de telle façon que la période de compression d'une des deux unités corresponde à la période de détente de l'autre. 9. Procédé suiosìBrevendications 1 et 2, caractérisé en ce que les gaz-riches provenant du dégazage et de la distillation qui se produisent dans la partie supérieure du gisement, après une épuration adéquate, sont utilisés directement comme substitut de gaz naturel ou comme gaz de synthèse chimique alors que les gaz pauvres,en provenance de la zone de gazéification, sont utilisés pour la production d'énergie électrique au moyen d'un cycle combiné de turbines à gaz et de chaudières de récupération.