Brevet FR2568494A1 — publié le 19860207

La présente invention concerne un procédé d'élimination de déchets industriels fluides et elle a trait plus particulièrement à la décharge souterraine de déchets liquides toxiques. Des sous-produits indésirables de notre société industrielle sont les déchets liquides toxiques. Ces déchets liquides toxiques doivent être éliminés par des moyens sûrs. Cependant, dans la plupart des cas, il apparat qu'on ne dispose pas de tels moyens d'élimination qui soient commodément disponibles. Dans certains cas, on a placé les déchets dans des barils scellés au goudron et on les a enfouis dans des fosses peu profondes, ou bien on les a déversés jusqu'au fond de l'océan ou introduits par pompage dans des puits peu profonds. Cela semble satisfaisant tant que les-barils ne commencent pas à fuir ou bien tant que des fluides déplacés, ou même les déchets proprement dits, ne sont pas transférés par effet de pompage dans des terrains aquifères ou jusqu'en surface. En ce qui concerne l'art antérieur, le domaine qui se rapproche peut être le plus de cette invention est celui de l'élimination des saumures d'eau salée dans des installations pétrolières. Une information typique correspondant à ce domaine est contenue dans un article intitulé "Salt Water Disposal Wells, Zones of Interest, and Production Company Viewpoints in the Tri- State Area of Texas, Oklahoma and Kansas" de D.W. Holland, "Cities Service Oil Company", Guymon, Oklahoma, présenté au "Heart of America Drilling and Production Institute", 8 et 9 février 1972, Garden City, Kansas. Le chapitre concernant les "zones d'intérêt futur" des pages 5 et 6 énumère des zones possibles d'évacuation et donne des indications de profondeur et de taux de décharge. Des zones à une pression inférieure à la normale sont décrites dans un article "Oil and Gas in Reservoirs with Subnormal Pressures" de Dickey et Cox, "The American Association of Petroleum Geologists Bulletin", volume 61, n" 12 (décembre 1977), pages 2f34-2142. La présente invention concerne un système et un procédé d'élimination de déchets fluides et notamment de déchets liquides toxiques ou radioactifs. On assure en premier la localisation de couches souterraines perméables, poreuses et appropriées qui, avant que du fluide ait été enlevé de celles-ci, présentent dans les pores une pression fluidique qui est inférieure à la pression hydrostatique normale de l'eau pour cette profondeur de terrain dans cette zone. Cela peut être appelé un réservoir sous-pressurisé hermétique. Des déchets fluides industriels sont ensuite déversés par gravité dans lesdites couches de terrain à un débit tel que la pression fluidique ne dépasse jamais la pression hydrostatique normale. On ne connaît pas dans l'art antérieur de moyens permettant de rechercher et de trouver un réservoir souterrain hermétique par détection d'une pression fluidique anormalement basse, puis par forage d'un puits de décharge dans celui-ci, et par décharge de fluide d'une manière et à un débit ne perturbant pas l'herméticité. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mis en évidence dans la description qui va suivre, faite en référence au dessin unique annexé qui représente un diagramme pression-profondeur du champ de gaz de Hugoton dans le Kansas. Le problème de l'élimination des déchets liquides, en particulier des déchets toxiques ou radioactifs, est devenu un problème technique et politique important de notre société. Si le problème technique de l'élimination sûre des déchets dans le temps peut être résolu, le problème politique est bien plus délicat. Des déchets liquides peuvent être éliminés de façon sûre en utilisant des réservoirs sous-pressurisés, qui correspondent à un phénomène naturel, comme un lieu de dépôt des déchets. Du fait qu'il est sousrpressurisé, c'est-àdire qu'il est placé à une pression inférieure à la pression hydrostatique normale correspondant à sa profondeur, le réservoir indique qu'il est, et qu'il a été, isolé de façon étanche de la surface et des réservoirs pressurisés l'environnant normalement. Le fait que la pression fluidique dans les pores est inférieure à la pression hydrostatique normale pour sa profondeur, établit une évidence prima facie que lesdites couches de terrain sont isolées de façon étanche. L'âge de l'étanchéité ne peut pas toujours être déterminé mais on peut dire que les âges sont de l'ordre géologique, c'est-à-dire compris entre des centaines de milliers et des millions d'années, et on peut par conséquent considérer qu'on a affaire à une étanchéité "permanente" à notre époque et que du fluide ne peut ni pénétrer ni s'échapper. Conformément à la présente invention, on fore un puits dans un tel réservoir sous-pressurisé et on assure son revêtement avec un cuvelage correct et du ciment. On décharge ensuite les déchets liquides dans le réservoir dans des conditions telles que la pression effective du fluide dans le réservoir ne dépasse jamais la pression- hydrostatique normale. Cela fait en sorte que l'étanchéité naturelle ne soit jamais perturbée ou supprimée. Conformément à la présente invention, ce réservoír sous-pressurisé et à étanchéité permanente. peut être rempli de déchets liquides jusqu'à ce que le réservoir se rapproche de la pression normale sans perturbation du joint étanche ou sans déplacement de fluide à l'extérieur du joint étanche. Par "pression normale", on entend une pression égale à la pression exercée par les fluides du terrain depuis la surface jusqu'à la profondeur spécifique à l'intérieur du réservoir sous-pressurisé. Elle est déterminée par multiplication de la profondeur par le gradient de pression (Pa/m) de la colonne d'eau du terrain. Cela peut être obtenu en extrayant des échantillons d'eau du terrain et en déterminant leur densité. Un gradient hydrostatique "normal" est supposé être égal à 10750Pa/m, qui correspond à un total de 100 parties par millier de saumure solide dissoute (TDS) ou à une densité de 1,075 g/cm3.Bien que cela corresponde à une bonne valeur moyenne, la pression calculée pour un trou peu profond peut 5 s'avérer trop élevée jusqu'à 3,5 x 105 Pa alors que, pour un trou profond avec des saumures plus lourdes, elle peut atteindre une valeur de 10,5 x 105 Pa considérée comme trop faible. En conséquence, on doit effectuer une détermination précise de la densité mesurée de l'échantillon de fluide prélevé dans les couches de terrain dans lesquelles on doit décharger du fluide. Pour obtenir la sécurité nécessaire, une zone de pression anormalement basse doit être située en-dessous d'une zone supérieure qui contient dans ses pores du fluide à une pression hydrostatique normale.Cela évite certains effets se manifestant à proximité de la surface (par exemple à une profondeur de quelques dizaines de mètres), ces effets étant par exemple provoqués par des nappes d'eau supérieure qui pourraient établir une basse pression sans créer un joint étanche à la pression. La décharge classique effectuée par l'intermédiaire d'un puits d'injection dans un réservoir à pression normale déplace des fluides du réservoir pouvant librement s'écouler, éventuellement jusqu'à la surface et qui peuvent polluer les fluides naturels et pénétrer éventuellement-dans la channe alimentaire. Cependant, même si, lors de l'utilisation de la présente invention, les joints étanches d'un réservoir sous-pressurisé. étaient rompus, par exemple à cause de forages incorrectement cimentés ou abandonnés ou bien sous l'influence d'évènements tectoniques, les fluides à la pression normale provenant des réservoirs environnants passeraient simplement par la zone de rupture jusqu'à ce que les pressions deviennent normales. Il ne se manifesterait aucune tendance à un refoulement des déchets liquides hors du réservoir. Des réservoirs sous-pressurisés sont connus dans le monde et il en existe notamment largement en Amérique du Nord. Un exemple d'une zone sous-pressurise est lue champ de gaz de Hugoton, choisi ici à cause de la disponibilité des données pouvant être extraites commodément d'un article de John W. Mason "Hugoton Panhandle Field, Kansas, Oklahoma and Texas", publié en 1968 par la "American Association Of Petroleum Geologists" dans "Natural Gases of North America, volume two,,.Le champ a une étendue de 2,2 millions d'hectares. Des puits sont répartis suivant une grille de 1,6 km c'est-à-dire avec un espacement cqrrespondant à 260 hectares. Dans le Groupe Chase de l'étage Wolfcampien du Permien, des pierres à chaux, des dolomites et des ardoises sont productrices de gaz. Dans la partie de la zone correspondant au Kansas, les valeurs moyennes suivantes s'appliquent : perméabilité 5 md porosité 14 % saturation en eau 25 % épaisseur de production 13,5 m La pression initiale du réservoir a été de 34 x 105Pa et la pression du réservoir en 1965 a été de 25 x 105Pa. La pression à l'heure actuelle est encore inférieure. La température moyenne dans la formation de terrains est de 320C et la profondeur moyenne jusqu'à la formation est de 700 m. L'ardoise, l'anhydrite et les sels de la formation de Wellington établissent le joint étanche supérieur et la perméabilité réduite, tandis que l'eau de fond établit les joints latéraux et inférieur. Si on admet les valeurs moyennes précitées pour le Groupe Chase et si on suppose que la nappe d'eau est placée à la base du Chase, le régime de pressions peut être représenté comme sur la figure 1 ci-jointe. Si des déchets liquides étaient injectés dans le réservoir de façon à faire monter la pression de 25 x 105Pa jusqu'à 81 x 105Pa, qui est encore bien inférieure à la -pression hydrostatique "normale1, de 88 x 105Pa, la quantité de déchets injectés par puits pourrait être calculée par la formule suivante où: D désigne le volume de déchets, en unités de 28,3 1. h désigne l'épaisseur du réservoir en unités de 0,3 m A désigne la section de réservoir, en unités de 0,09 m2 désigne la porosité (décimale) CL désigne la compressibilité de liquide, en unités de 28,3 1 / 28,3 1 5 0,07 x 10Pa Sw désigne la saturation en eau (décimale) SG désigne la saturation en gaz (décimale) E v désigne le coefficient de dilatation volumique en unités de 28,3 l x 28,3 l C P désigne la pression en 0,07. 105Pa z est un coefficient de correction pour gaz CH4 T désigne la-température, en R Pour le réservoir de Hugoton h = 13,5 m (effective, sur 150 m au total) A = 25,6 ha x 43.560 x 0,09 m2/0,4 ha = 2,51 x 106 m2 volume pores # = 0,14 ( volume pores ) volume pores Le volume du réservoir est h A = 1255,5 x 106 x 28,3 1 6 Le volume des pores est h A.# = 175,77 x 10 x 28,3 1 Et Sw = 0,25 SG = 0,75 Et 6 le volume de saumure est h A # Sw = 43,94 x 106 x 28,3 1 6 le volume de gaz est h A SG = 131,83 x 10 x 28,3 1 Et P1 = 25,2 x 105 Pa P2 = 81,2 x 105 Pa 5 P2 - P1 = 56 x 10 Pa T2 - T1 = 32 C = 500 R CL = 3 x 106 x 28,3 1/28,3 1 0,07.10Pa 6 Ev = 400 x 106 28,3 1/28,3 l R Z1 = 0,96 Z2 = 0,90 T2/T1 = 1 P1/P2 = 0,31 Z2 /Z1 = 0,94 460 R = - 20 C En conséquence, pour ces hypothèses de calcul, on obtiendrait, dans un exemple D = 45-27,9-106-0,14 {0,25 3.10-6 800 [1 + 400.10-6.0] + 0,75 1~(360) (0,90) (550 1160 0,96 550 D = 93,58 x 106 x 30 litres/puits ou D = 16,67 x 106 x 160 1/puits Si le puits de réservoir contient intégralement du liquide (S = 1) w D = 75 139 x 160 1/puits Si le puits du réservoir contient intégralement du gaz (SG=1) D = 22,2 x 106 x 160 l/puits Cette différence est imputable à la différence de compressibilité de la saumure et du méthane. Pour injecter de gros volumes de liquide dans un réservoir rempli de liquide, il est nécessaire d'avoir un réservoir plus épais et plus poreux, c'est-à-dire un plus grand volume de pores par puits, que dans cet exemple de calcul. I1 va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au procédé décrit et représenté, sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Procédé d'élimination de déchets industriels fluides, caractérisé en ce que l'on localise une formation souterraine perméable poreuse qui, avant que du fluide ait été enlevé de celle-ci, contient dans ses pores du fluide à une pression qui est inférieure à la pression hydrostatique normale pour cette profondeur de ladite formation de terrain dans cette zone, en ce qu'on déverse du fluide industriel dans ladite formation de terrain à un débit tel que ladite pression fluidique ne dépasse jamais ladite pression hydrostatique normale. 2. Procédé d'élimination de déchets fluides, caractérisé en ce qu'on déverse lesdits déchets dans des puits forés dans des formations perméables de terrain contenant à l'origine dans les pores du fluide à une pression qui est inférieure à une pression hydrostatique normale. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que ladite formation de terrain est située en-dessous d'une zone supérieure qui contient dans ses pores du fluide à une pression hydrostatique normale. 4. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la pression hydrostatique normale est déterminée en mesurant la densité d'un échantillon de fluide prélevé dans la formation de terrain et en utilisant cette densité et la profondeur de la formation de terrain pour obtenir la pression hydrostatique normale.