Brevet FR2372753A1 — publié le 19780630

La présente invention est relative à un dispositif d'obturation du puits d'accès à une cavité souterraine destinée au stockage d'un gaz liquéfié à température inférieure à l'ambiante. La technique de stockage des gaz liquéfiés à température inférieure à l'ambiante, tels que le gaz naturel liquéfié (GNL) dans des réservoirs souterrains, se heurte à de nombreuses difficultés, et Jusqu'ici on a préféré des réservoirs placés sur le sol ou semienterrés, malgré les nécessaires limitations de capacité imposées par la sécurité. Parmi ces difficultés, figure celle de l'obturation du puits d'accès à la cavité.Ce puits, qui sert au passage des conduits des tinés à l'exploitation de la cavité, doit entre obturé de façon étanche au voisinage de l'endroit où il débouche dans celle-ci; une obturation à un autre niveau serait génératrice de déformation dans les isothermes du sol après la mise en froid, et, par suite, de fissures et de risques de fuite de gaz en direction de la surface ou de venues d'eau dans la cavité. Cette obturation doit en outre laisser un passage pour les conduites de mise en froid et d'exploitation du réservoir, qui relient celui-ci à la surface. Pour des raisons de sécurité, une fois ces canalisations mises en place et calorifugées, le puits est comblé et le dispositif d'obturation doit supporter le poids d'un remplissage du puits. Un simple bouchon de béton ne peut suffire à assurer ces ta- ches, car les variations de température créent des fissures nuisibles à l'étanchéité, notamment au contact du béton et de la roche ou des conduites. On a proposé d'opérer de la façon suivante : le fond du puits présente un épaulement intérieur, qui ramène par exemple son diapètre de 3 m au-dessus de l'épaulement à 2 m au niveau de celui-ci. la face supérieure de cet épaulement est taillée et usinée pour Entre aussi horizontale et plane que possible et le dispositif d'obturation comprend essentiellement une plaque métallique horizontale, rigide, qui repose sur l'épaulement. Cette plaque est traversée par les canalisations d'exploitation, qui sont soudées sur elle. Ce systeme a été rejeté car il crée une concentration de contraintes qui oblige à éloigner le bouchon de la voûte du stockage, perturbant ainsi exagérément le réseau d'isothermes. La présente invention a pour but de fournir un dispositif d'obturation qui - assure une obturation convenable,mEme en cas de déforma- tion des terrains ; - puisse supporter sans difficulté le poids des canalisations et du remplissage du puits. Un des principes de base de la présente invention est la séparation dans le dispositif des fonctions d'étanchéité et de support mécanique des terrains. Un autre principe est de placer les moyens d'étanchéité au-dessus des moyens de support des terrains. A cet efret, l'invention fournit un dispositif d'obturation pour réservoir souterrain de gaz, comportant une surface d'appui sur la roche environnante, des passages pour les canalisations et des moyens d'étanchéité, dans lequel la surface d'appui sur la roche a la forme d'un tronc de c8ne ouvert vers le haut et d'angle au sommet compris entre 60 et 1400 et les moyens d'étanchéité sont disposés au-dessus et indépendamment de la surface d'appui. Grace à cette disposition, les fissures locales qui peuvent se créer dans le sol au voisinage de la surface d'appui, soumise à de fortes contraintes mécaniques,n'altèrent pas les surfaces d'étanchéité, et meme si elles vont Jusqu'au toit de la cavité, elles ne créent pas de ce fait un contournement de celle-ci.Par ailleurs, le fait que la surface d'appui est conique rdpartit la charge sur une plus grande surface. De ce fait, il est possible de rapprocher l'empla- cement du bouchon du toitde la cavité, ce qui réduit la déformation des isothermes du sol après la mise à froid. En outre, les variations de diamètre du puits et du dispositif d'obturation, dues aux variations de température, se traduisent par des mouvements verticaux et n'introduisent pas de contraintes dangereuses dans le sol. De préférence, la surface d'appui'est constituée d'un certain nombre de secteurs tronconiques rigides, indépendants, supportés par une structure commune déformable de façon à permettre le déplacement des secteurs les uns par rapport aux autres. On obtient ainsi une structure souple, qui s'adapte aux déformations du terrain. Suivant une réalisation préférée, les moyens d'étanchéité comprennent un cylindre à axe vertical, déformable dans le sens radial et de diamètre maximum au moins égal au diamètre maximum de la surface d'appui, et une surface transversale reliée de façon étanche audit cylindre, et pourvue de passages étanches pour les conduites d'exploitation du stockage. La souplesse de la surface du cylindre assure son adaptation aux déformations telles que des ovalisations de la paroi du puits. Les déformations à bords aigus et de faible amplitude, provenant par exemple du mouvement relatif des lèvres d'une fissure, sont alors obturées sans difficulté à l'aide d'un matériau déformable mEme aux basses températures. Pour obtenir une meilleure répartition des contraintes, on peut prévoir que ladite surface transversale est prévue pour supportera pression du remplissage du puits et est reliée au chas- sis portant la surface d'appui de façon à lui transmettre ladite poussée. Avant la mise en place du dispositif, il est préférable qu'on usine avec précision dans la roche une surface conique correspondant à la surface d'appui et une surface de préférence cylindrique correspondant aux moyens d'étanchéité. Avantageusement, après avoir mis en place le dispositif et les conduites d'exploitation, on remplit le puits avec un matériau, par exemple un béton, ayant des caractéristiques mécaniques et pétrophysiques voisines de celle de- la roche, particulièrement en ce qui concerne la porosité et la teneur en eau, de façon que ce matériau et la roche avoisinante aient des évolutions analogues sous l'effet des contraintes nées de la solidification de l'eau qu'ils contiennent. Si le réservoir est disposé de façon que le front de glace n'atteigne Jamais, au cours de l'exploitation prévue, le niveau hydrostatique, le béton doit monter plus haut que le rront de glace, de façon à éviter que l'eau qui se trouverait dans le puits audessus de ce béton ne gèle en écrasant les conduites. Le remplissage du puits en béton ou matériau analogue reconstitue lthomogénéité des terrains au-dessus du puits. I1 en résulte que, lorsque le front de glace a dépassé la base de ce béton, l'étanchéité de la cavité est assurée par la continuité de la zone gelée, et que le Joint d'étanchéité devient inutile. De préférence, pour protéger le dispositif au moment du remplissage du puits et de la prise du béton, on intercale entre le dispositif et le béton une couche de matériau à faible résistance mécanique tel que de la mousse de polychlorure de vinyle (PVC). Le remplissage du puits au-dessus du béton peut astre terminé avec du sable et du tout-venant. La présente invention va maintenant entre décrite plus en dé tail à l'aide d'un exemple pratique, non limitatif, et en s'aidant de la figure jointe, qui représente une coupe par un plan axial du dispositif de cet exemple. Ce dispositif est destiné à etre placé à la partie inférieure d'un puits reliant un réservoir souterrain à la surface. Ce puits présente, au-dessus de l'emplacement du dispositif, un diamètre de 3 m et, au-dessous, un diamètre de 2 m, le rétrécissement étant pratiqué à 6 m environ au-dessus du haut du réservoir de façon à ce que le terrain puisse supporter la charge prévue sans que la distorsion des isothermes soit trop importante. La surface d'appui est rormée de 24 secteurs de tronc de cane; chacun des secteurs comprend, de 1 'intérieur vers l'extérieur du dispositif, une pièce de forme métallique 1, en acier inoxydable, sur laquelle est fixée une plaque 2 de matière plastique rigide à haute résistance (10O0 bars à la compression). Cette matière est du polyéthylène basse pression commercialisée sous le nom d' "Hostalen E" par la Société B.A.S.F. La plaque 2 est elle-me recouverte d'une feuille 3 de polytétrafluoréthylène du type "Teflon" commercialisd par Dupont de Nemours. L'ensemble des pièoes de forme 1 est porté par une plaque support 4, horizontale et circulaire, traversée par les passages 5,5' des conduites d'exploitation 6,6'. Deux de ces tubes sont représentés, mais il est clair que leur nombre peut varier selon l'exploitation proJetée ; l'un au moins de ces tubes est de dimensions suffisantes pour permettre le passage. du personnel.Le tronc de cône formé par l'ensemble des éléments 1, 2, 3 a un diamètre in fbrieur de 2 m environ et un diamètre supérieur de 3 m environ; son angle au sommet est de 90 , sa hauteur est donc de 0,5 m environ, Pour sa mise en place, la paroi du puits est usinée, l'usinage comportant un moulage de précision sur la roche vierge, les to sérances étant de 1/2 degré sur l'angle, 5 mm sur la rectitude et 2 mm sur la circularité. Les moyens d'étanchéité sont placés à environ 1 m au-dessus de la surface d'appui. Ils comprennent une plaque de soutien 8 de forme circulai re > qui forme surface transversale d'étanchéité, et un cylindre extérieur 7 pour l'étanchéité avec la roche. La plaque de soutien 8 est traversée par les passages des conduites 6,6'. Ces passages seront décrits plus loin. Elle est reliée à la plaque support 4 par des-t8les raidisseuses verticales 9 dont une seule est représentée sur la figure, et par des tubes 10 > 10' concentriques aux conduites 6,6'. L'ensemble des tôles rai- disseuses g et des tubes 10, 10' constitue avec les plaques 4, 8 un ensemble léger et résistant à la compressionJ qui transmet à la surface d'appui le poids des charges qui le surplombent. Les disques anuulaires 11, 11' sont placés au-dessus de la plaque de soutien 8, et fixés soit sur l'extrémité d'un tube 10, soit sur une rallonge 12. Ils sont soudés sur les conduites 6,6', pour assurer l'étanchéité autour de celles-ci. I1 convient d'observer que ces soudures constituent des points fixes pour les conduites, qui peuvent se dilater, ou se contracter librement à par tir de là vers le bas ou vers la surface. Le cylindre extérieur 7 est en chlorure de polyvinyle souple. I1 est destiné avenir en contact avec la roche qui, à cet endroit, est usinée avec les tolérances suivantes : 5% sur le parai~ lélisme, 5 mm sur la circularité. Un disque de oontre-plaqué 13 est placé sur le cylindre 7 et vient le serrer contre la roche. Ce serrage est obtenu par l'ac tion d'écrous 14 (dont un seul est représenté) se vissant sur des tiges filetées verticales 15 soudées par la plaque de soutien 8. Un cylindre d'appui 16, en chlorure de polyvinyle rigidetplacé à l'intérieur du cylindre 7, complète le dispositif. On voit que le serrage des écrous 14 assure l'étanchéité à la fois entre le dispo sitif et la roche et entre le cylindre 7 et la plaque 8. Après la mise glace du dispositif obturateur, on dispose au-dessus de lui une couche d'environ 1,5 m de mousse de chlorure de polyvinyle du type "Klegecell rigide" de la Société Kleber Colombes. Cette couche, d'une part, Joue le r81e d'amortisseur m6- canique entre le dispositif d'obturation et les matériaux qui rempliront le puits, et, d'autre part, elle constitue un isolant thermique qui diminue la perturbation des isothermes lorsqu'on s'écarte du puits. Au dessus de la couche de mousse de chlorure de polyvinyle, le puits est rempli d'un béton de caractéristiques choisies pour compléter au mieux l'homogénéité des propriétés mécaniques et pé- trophysiques du milieu. Ce remplissage de béton est fait sur 15 m de haut; la hauteur maximale de la zone gelée, dans ce cas précis, ne devrait pas dépasser 10 m. Le reste du puits est comblé par du sable et du tout-venant. -REVENDICATIONS- 1. Dispositif d'obturation pour réservoir souterrain de gaz liquéfié, comportant une surface d'appui sur la roche environnante, des passagegjpour les canalisations et des moyens d'étanchéi- té,caractérisé en ce que la surface d'appui sur la roche a la forme d'un tronc de ozone ouvert vers le haut et d'angle au sommet compris entre 60 et 1400, et en ce que les moyens d'étanchéité sont disposés au-dessus et indépendamment de la surface d'appui. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'angle au sommet du tronc de carne est d'environ 900. 3. Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé on ce que la surface d'appui est constituée d'un certain nombre de secteurs tronconiques-rlgides indépendants,supportés par une structure commune déformable de façon d permettre le déplacement des secteurs les uns par rapport aux autres. 4. Dispositif selon l'une des revendications 1 b 3,caractérisé en ce que les moyens d'étanchéité comprennent un cylindre à axe vertical, déformable dans le sens radial et de diamètre maximum au moins égal au diamètre maximum de la surface d'appui, et une surface transversale, reliée de façon étanche audit cylindre, et pourvue de passages étanches pour les conduites d'exploitation du stockage. 5. Dispositif selon la revendication 4,caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour comprimer verticalement le cylindre vertical et la plaque contre la paroi. 6. Dispositif selon la revendication 51caractérisé en ce que lorsque le cylindre vertical est comprimé verticalement,il il est également serré de façon étanche contre la surface transversale. 7. Dispositif selon l'une des revendications 4 i 6, caractérisé en ce que ladite surface transversale est prévue pour supporter la pression du remplissage du puits, et est reliée au châssis portant la surface d'appui de-raçon à lui transmettre ladite poussée. 8.Procédé pour la mise en oeuvre du dispositif selon l'une des revendications 1 à 7 ,dans lequel on usine avec précision la roche pour obtenir une bonne étanchéité,et après avoir mis en place le dispositif obturateur et les conduites d'exploitation qui le traversent, on comble le puits avec du tout-venant,caractérisé en ce qu'on usine avec précision dans la roche une surface conique corres pondant à la surfaee d'appui et une surface de préférence cylin drique, correspondant aux moyens d'étanchéité, en ce qu'après avoir mis en place le dispositif et les conduites d'exploitation on remplit le puits avec un matériau tel qu'un béton ayant des caractéristiques mécaniques et pétrophysiques voisines de celles de la roche, jusqu'à une hauteur supérieure à celle qu'atteindra la zone gelée à -son maximum durant l'exploitation. 9. Procédé selon la revendication8caractérisé en ce qu'on intercale entre le dispositif et ledit matériau une couche de matériau à fatble résistance mécanique, tel que de la mousss de PVC.