Brevet FR2507204A1 — publié le 19821210

L'invention concerne un procédé de gazéification sou- terraine de charbon, du genre o l'on amine au travers d'un forage un courant d'oxygène associé à de l'eau, et o l'on forme in situ un jet d'oxygène, associé à un jet de vapeur en direction d'une veine de charbon, et o l'on extrait un gaz combustible, résultant d'une combustion incomplète dudit charbon, que l'on conduit à la surface On sait qu'on assure ainsi la formation de gaz combustible comprenant généralement au moins du monoxyde de carbone, et de l'hydrogène résultant de la réduction de la vapeur d'eau et des quantités très variables de méthane. Jusqu'à maintenant, les propositions qui ont été faites ont toutes mis en oeuvre au moins un deuxième forage au travers duquel le gaz combustible est extrait, l'opération de gazéification étant précédée éventuellement d'une opération de fracturation, ' généralement par un fluide à haute pression de la zone dans la veine de charbon située entre les pieds des deux forages afin de faciliter la permation gazeuse Pour qu'une telle technique soit rentable, il convient que 1 'écartement des pieds de forage soit de l'ordre de m, ce qui nécessite un nombre de forage très important En outre et surtout, la conduite de l'opération de combustion partielle est difficile à contr 6 ler étant donné qu'on a aucune indication sur le degré de porosité de la zone fracturée et sur son hom Dgénéité et que l'avance du front de combustion a un caractère aléatoire Dans ces conditions, le pouvoir calorifique du gaz produit est souvent varia- ble et difficilement maitrisable. La présente invention a pour but de simplifier les moyens mis en oeuvre pour assurer la gazéification in situ du charbon, notamment localisé à très grande profondeur, en réduisant considéra- blement le nombre de forages à exécuter et également en assurant un contrôle précis du phénomène de combustion incomplète. Selon l'invention, la gazéification souterraine du charbon est assurée simplement par un jet d'oxygène dont la direction est contrôlée et par le fait que le gaz combustible est extrait de la zone de combustion incomplète en un courant s'écoulant à contre- courant du jet d'oxygène et est ramené à la surface au travers du mehe forage qui a servi à l'arrivée d'oxygène Grace à l'ensemble de ces mesures, et principalement au fait que le courant de gaz combustible remonte à la surface par la même voie que celle qu'a empruntée l'oxygène, on peut à la fois se dispenser des forages d'extraction du gaz combustible, atteindre à partir d'un forage unique des zones très étendues et enfin supprimer l'opération de fracturation préliminaire de la zone de charbon De plus, on peut, par des moyens de mesure appropriés, contr Oler parfaitement la zone de combustion incomplète et donc obtenir un gaz de qualité constante. Il importe que l'on prévoit des moyens pour isoler le jet directif d'oxygène du courant de gaz combustible qui s'écoule à contre-courant du jet d'oxygène et, avantageusement, on utilise à cet effet un jet de vapeur qui s'écoule en un rideau annulaire autour du jet d'oxygène Cette vapeur d'eau résulte avantageusement de la vaporisation d'eau injectée en tête du forage et qui s'échauf- fe par échange thermique avec le gaz combustible remontant à la surface En outre, la vapeur d'eau réagit avec le charbon pour for- mer un mélange combustible de monoxyde de carbone et d'hydrogène. L'invention a également pour objet une installation pour la mise en oeuvre de ce procédé. L'invention sera maintenant décrite à titre d'exemple en référence aux dessins annexes dans lesquels: la figure 1 est une vue schématique à l'endroit de la zone de combustion incomplète la figure 2 est une vue schématique du forage; la figure 3 est une vue schématique à échelle agrandie de l'extré- mité du conduit aboutissant à la buse d'injection; la figure 4 est une vue schématique du mode opératoire. En se référant aux figures 1 et 2, on voit qu'une buse 1 à l'extrémité d'une conduite 2 placée dans un forage 3 s'étendant depuis la surface 4 jusqu'à une veine de charbon 5 se présente dans une zone médiane de la veine de charbon 5 Cette buse 1 est consti- tuée d'une tuyère supersonique 10 de forme convergente divergente et d'une conduite co-axiale 11 qui est raccordée d'ailleurs à la tubulure 2 qui se présente sous la forme d'une double tubulure, l'une centrale raccordée aux conduites centrales de buse 10, l'autre co-axiale raccordée aux conduites co-axiales de buse 11, la conduite axiale de buse 10 est alimentée en oxygène sous pression, tandis que le conduit annulaire entre les conduites 10 et 11 est alimenté en vapeur d'eau sous pression. La buse 1 opère de la façon suivante: par son orifice calibré 20, un jet d'oxygène concentré et directif 21 de forme allongée et à vitesse supersonique présente un dard 22 dont l'ex- trémité entre en impact avec le charbon, tandis que la vapeur d'eau s'écoule autour du jet 21 en un rideau annulaire 30 qui s'étend au moins sur une large partie de l'extension du jet directif 21 L'oxy- gène, à l'endroit de l'impact, provoque la combustion incomplète du charbon Un courant annulaire de gaz combustible à haute température remonte selon les flèches FF' autour de l'ensemble jet d'oxygène - rideau de vapeur d'eau Au cours de son trajet, le gaz se refroidit au contact de la couche de charbon et de la vapeur d'eau: les réactions chimiques qui en résultent augmentent fortement son pou- voir calorifique Ce gaz combustible est pris en charge au pied du forage par une seconde conduite tubulaire 6 qui enveloppe à distance la conduite tubulaire double 2 On note que la vapeur d'eau constitue non seulement un élément actif dans la combustion incanplète, mais également assure un rûle décisif pour éviter le contact entre le gaz coeibustible et le dard d'oxygène; sans ce rideau de vapeur d'eau, ou autre moyen de séparation, le gaz combustible s'oxyderait lors de ce parcours au niveau de l'oxygène, ce qui bien entendu rendrait ino- pérante la gazéification partielle Cela est d'autant plus vrai que le jet directif d'oxygène 21 peut avoir une très grande extension dans le sens axial, puisque la distance entre le dard 22 et la buse 1 peut être de plusieurs dizaines de mètres. En pratique, comme indiqué à la figure 3, la buse composite d'oxygène et de vapeur d'eau est placée en bout d'une tubulure double 2 qui présente deux sections successives 40 et 41 ayant chacune un coude à angle droit 42 et 43, ces deux sections 40 et 41 étant raccor- dées par deux joints tournants 44 et 45 En pratique, on opère de la façon suivante: On procède au forage comme indiqué à la figure 2 jusqu'à parvenir à la veine de charbon 5 et à ce moment on introduit les tubulures 2 et 6 en équipant la tubulure 2 du dispositif à joints tournants représenté à la figure 3 Dans cette position, les sec- tions coudées 40 et 41 sont mises en alignement et l'on procède à la première étape de contbustion partielle qui consiste à partir du niveau du sol, à accroître la longueur de la tubulure 2 pour se déplacer le long d'une zone médiane de la veine 5, la buse de tête 11 provoquant par conbustion incomplète une galerie de mines 50, qui est une sorte de forage "à l'oxygène" dans le plan de la veine de charbon et ce forage peut atteindre plusieurs centaines de mètres. Cette opération s'effectuant par adjonction de tubulures au niveau du sol et correction permanente de la direction d'avancée par con- trôle de la zone de ccmbustion grâce à un thexrmètre optique 51 solidaire de la buse il et qui permet de vérifier si l'impact du jet d'oxygène se produit bien sur la couche de charbon Une fois la galerie de mines ainsi fornie 50, on procède à des opérations de combustion latérale (Fig 4) le long de cette galerie en réorien- tant les parties de conduites 40 et 41 de façon à diriger la buse 11 dans l'extension transversale la plus inportante de la veine de char- bon 51 et l'on procède ensuite à des combustion inxomplètes dans des plans transversaux perpendiculaires à la galerie de mine 50, assurant ainsi soit des cavités de combustion 52, 53, 54 et 52 ', 53 ', 54 ' décalées les unes des autres ou, le cas échéant, une large cavité qui s'étend de part et d'autre de la galerie de mine 50. Cette opération de combustion ir=aplète qui s'effectue à l'intérieur de la masse de charbon, qui n'a subi aucune préparation aléatoire telle une fracturation peut donc être conduite avec les plus grandes chances de succès, étant donné que cette masse de char- bon présente une uniformité massique qui rend la combustion incom- plète reproductible d'un endroit à l'autre On note en outre, que l'appareil de contrôle optique 51 permet par des opérations de corn- bustion orientées latéralement, de vérifier que 1 'on se situe tou- jours dans une position médiane de la veine de charbon, car cet appa- reil de contrôle 51 permet de détecter immédiateoent toute baisse de température lorsque le dard 22 du jet directif d'oxygène 21 roe=ntre la roche. On note que l'invention peut être mise en oeuvre sous dif- férentes formes dont certaines sont énumèrées à titre d'e"mples: On a vu qu'un des roles de la vapeur d'eau était d'isoler le jet d'oxygène des gaz résultant de la combustion incarplète Ce rôle peut aussi être assuré par un gaz neutre, conme le gaz carbonique. Au lieu d'opérer par une injection continue d'oxygène avec une enveloppe gazeuse isolante, on peut également opérer par des successions d'injections d'oxygène, puis d'hydrogène et dans ce cas il n'est plus nécessaire d'assurer une protection gazeuse du jet d'hydrogène actif. On peut également mettre en oeuvre une injection plus complexe comprenant un jet central d'oxygène, enveloppé d'un jet annulaire intemdiaire de vapeur d'eau, ou de gaz carbonique, et d'un jet annulaire périphérique d'hydrogène ou de vapeur d'eau (notanment si le jet intermédiaire est autre que la vapeur d'eau). REVENDICATIONS 1 Procédé de gazéification souterraine de charbon, du genre o l'on amène au travers d'un forage un courant d'oxygène, et o l'on produit in situ un jet d'oxygène, en direction d'une veine de charbon, et o l'on extrait un gaz combustible résultant d'une combustion incomplète dudit charbon, que l'on conduit à la surface, caractérisé en ce que le jet d'oxygène est à direction contrôlée et en ce que le gaz combustible est extrait de la zone de coebustion incomplète en un courant s'écoulant à contre-courant du jet d'oxy- gène, et est ramené à la surface au travers du mea forage qui a servi à l'arrivée d'oxygène. 2 Procédé de gazéification souterraine de charbon, selon la revendication 1, caractérisé en ce que le courant de gaz co Ebusti- ble s'écoule autour dudit jet d'oxygène avec interposition d'un jet annulaire d'un gaz. 3 Procédé de gazéification souterraine de charbon, selon la revendication 2, caractérisé en ce que le gaz du jet annulaire est un jet de vapeur d'eau à co-courant du jet d'oxygène. 4 Procédé de gazéification souterraine du charbon selon la revendication 2, caractérisé en ce que le gaz du jet annulaire est un gaz neutre, tel que le gaz carbonique. Procédé de gazéification souterraine de charbon, selon la revendication 1, caractérisé en ce que les injections d'oxygène sont périodiquement interrompues et remplacées par des injections d'hydrogène. 6 Procédé de gazéification souterraine de charbon, selon la revendication 2, ou 3, ou 4, caractérisé en ce qu'on injecte un second gaz tel vapeur d'eau ou hydrogène en un jet périphérique autour dudit jet annulaire de gaz. 7 Procédé de gazéification souterraine de charbon, selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'injection d'hydrogène s'effectue à l'exclusion d'un autre gaz. 8 Procédé de gazéification souterraine du charbon met- tant en oeuvre l'une quelconque des revendications 1 à 7, caracté- risé en ce qu'on effectue d'abord une opération initiale de combus- tion incomplète en ligne pour former une galerie de mine à exten- sion médiane dans la veine de charbon, et en ce qu'on effectue '507204 ensuite successivement une pluralité d'opérations de gazéification latérales s'étageant le long et de part et d'autre de ladite gale- rie de mine. 9 Procédé de gazéification selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la vapeur d'eau résulte de la vaporisation d'un débit d'eau injecté en tête de forage, s'échauffant par échange thermique avec le gaz combustible remontant à la surface et s'écoulant à vitesse nettement supérieure à la vitesse de remontée de la vapeur d'eau. 10 Installation pour la gazéification souterraine du charbon, comprenant une première tubulure s'étendant au travers d'un forage jusqu'au niveau d'une nappe de charbon, à l'extrémité de cette tubulure une buse déplaçable adaptée à former un jet direc- tif d'oxygène, caractérisée par une seconde tubulure dans ledit forage au niveau de la buse de formation du jet directif d'oxygène. 11 Installation pour la gazéification souterraine du charbon selon la revendication 10, caractérisée en ce que la buse est équipée des moyens de coulissement axial. 12 Installation pour la gazéification souterraine du charbon selon la revendication 10, caractérisé-en ce que la buse est équipée d'un double joint tournant. 13 Installation selon l'une quelconque des revendications 1 Q à 12, caractérisée en ce que la seconde tubulure est disposée co- axialement à la-première tubulure. 14 Installation selon l'une quelconque des revendications à 13, caractérisée en ce que la première tubulure comporte un con- duit axial pour l'oxygène et un conduit annulaire pour de l'eau. Installation pour la gazéification souterraine du char- bon selon la revendication 10, caractérisée en ce que la buse d'injec- tion du gaz axial est du type à convergent-divergent.