Brevet FR2731042A1 — publié le 19960830

La présente invention concerne un procédé de mise en gaz d'une cavité saline de stockage de produit gazeux tel que du gaz naturel, de l'Ethylène, de l'Ethane, ou encore de l'air comprimé. La cavité saline est formée dans un massif de sel par lessivage, technique consistant à faire circuler de l'eau pour dissoudre le sel. De manière classique, lorsqu'un site remplissant les conditions pour développer une cavité saline de stockage a été identifié, un puits est foré jusqu'au massif de sel. La figure 1 représente une coupe verticale du puits. La paroi du puits 1 est pourvue d'un tubage cimenté 11 qui est installé de manière définitive et dont l'extrémité inférieure est positionnée au-dessus du niveau à lessiver. Une double colonne de lessivage 12 composée de deux tubages généralement concentriques est alors descendue dans le puits pour permettre l'injection d'eau et le retour de la saumure formée par la dissolution du sel au contact de l'eau. Suivant le mode de lessivage utilisé, l'eau est introduite par le tubage interne et la saumure remontée par l'espace annulaire constitué par les deux tubages concentriques de lessivage, ou l'inverse.L'espace annulaire constitué par le tubage cimenté et le tubage externe de lessivage est destiné à recevoir un fluide inerte vis-à-vis du sel, appelé garde, comme par exemple du gazole. La garde permet d'empêcher la dissolution incontrôlée du sel vers le haut et de positionner le toit de la cavité au niveau souhaité. La cavité se développe latéralement au fur et à mesure de la dissolution du sel par l'eau injectée, les blocs d'insolubles 20 contenus dans le massif de sel 2 s'accumulant au fond de la cavité. Le lessivage est généralement réalisé avec plusieurs positions différentes des tubages de lessivage, en fonction de la géométrie souhaitée de la cavité et des caractéristiques du massif de sel. La phase de lessivage est poursuivie jusqu'à ce que la cavité ait atteint la forme et le volume requis ou une taille maximale compte tenu des conditions du site.En effet, la cavité doit être développée de telle façon que soient assurées son étanchéité grâce à l'imperméabilité du sel, ainsi que sa stabilité. Une fois la phase de lessivage terminée et les tubages de lessivage retirés, la cavité doit être vidée de sa saumure pour laisser place au produit gazeux à stocker. Selon une technique classique bien connue de l'art antérieur, la phase de soutirage de la saumure ou "dewatering" consiste à introduire dans le puits ayant servi au lessivage une colonne descendant jusque dans la cavité et à faire remonter la saumure par injection de produit gazeux sous pression. La figure 2 représente une vue en coupe verticale de la cavité en cours de mise en gaz suivant cette technique classique. Pour une telle opération, l'extrémité inférieure de la colonne 13 est positionnée à proximité du fond de la cavité, immédiatement au-dessus du niveau atteint par les insolubles qui s'y sont accumulés lors de la phase de lessivage.La colonne 13 ainsi descendue est communément appelée "colonne de dewatering" dans le jargon du domaine considéré et sera désignée "colonne de soutirage". La colonne de soutirage 13 peut être un des tubages utilisés pour le lessivage, dont l'extrémité aura été replacée près du fond de la cavité. Le produit gazeux est introduit par l'espace annulaire constitué par le tubage cimenté 11 et la colonne de soutirage 13, la pression exercée par le gaz faisant remonter la saumure 5 jusqu'en surface par l'intérieur de la colonne de soutirage 13. Cette technique présente cependant certains inconvénients qui sont dus aux risques de rupture de la colonne de soutirage pendant la mise en gaz et au fait qu'elle ne permet pas de soutirer la saumure au-dessous du niveau atteint par les insolubles. La rupture de la colonne de soutirage résulte généralement de la chute de blocs instables de sel ou d'insolubles se décrochant des parois de la cavité. Ce risque est accru pendant la mise en gaz du fait du changement de densité du fluide présent dans la cavité. La complétion ou ensemble des équipements du puits utilisés lors de la phase de soutirage peut comporter ou non un dispositif de sécurité de subsurface 15 destiné à pallier les risques d'éruption de gaz en surface en cas de fuite ou de rupture de la colonne de soutirage ou en cas d'endommagement de la tête de puits. Dans le cas d'une complétion sans dispositif de subsurface, le puits 1 est équipé d'un simple tubage formant la colonne de soutirage 13, descendu au fond de la cavité 3 et suspendu à la tête de puits 10. Dans un tel schéma, la sécurité de l'opération de mise en gaz repose uniquement sur les vannes de surface 16 et 17 placées au droit de la tête de puits sur l'entrée "gaz" et la sortie "saumure". Cette solution n'est pas sans risque. En effet, en cas de rupture de la colonne de soutirage 13 à un niveau situé au-dessus de celui de la saumure 5 dans la cavité 3, le gaz sous pression remonte subitement par la colonne 13 et peut ressortir en surface par la ligne d'évacuation de la saumure, ce qui peut être très dangereux. Pour les complétions munies d'un dispositif de sécurité de subsurface 15, l'intérieur de la colonne de soutirage 13 est équipé d'une vanne, appelée vanne de fond, destinée à isoler la cavité en cas d'éruption de gaz par la colonne. Pour se prémunir contre une défectuosité de fonctionnement de la tête de puits 10, une vanne de fond peut également être installée sur le conduit d'injection du gaz, soit dans l'espace annulaire, soit à l'intérieur de la colonne en utilisant une manchette pour le croisement des flux. Cependant, l'utilisation de tels dispositifs de sécurité n'est pas systématique car leur réalisation, leur mise en place et leur maintenance présentent un degré de difficulté élevé. De plus, de tels dispositifs sont coûteux, aussi bien à l'achat qu'à l'installation. La difficulté et le prix de la mise en oeuvre d'une telle technique provient de la concentricité du tubage cimenté et de la colonne de soutirage. Un autre difficulté inhérente à la mise en oeuvre de la technique de l'art antérieur survient lorsque la colonne de soutirage doit être remontée et redescendue en cas de rupture, ou définitivement retirée de la cavité à la fin de la phase de soutirage. De telles manoeuvres, réalisées avec la cavité remplie au moins partiellement de gaz sous pression, nécessitent l'utilisation d'un appareil de "snubbing" qui permet de maintenir l'étanchéité du puits en surface. Le mouvement de la colonne de soutirage est une opération délicate, car une éruption de gaz se produit dès lors que la fermeture de l'espace annulaire n'est pas parfaitement maintenue pendant toute l'opération. Ces manoeuvres sont donc particulièrement hasardeuses et de plus très coûteuses. Un but de la présente invention est de remédier à ces inconvénients de l'art antérieur liés aux risques de rupture de la colonne de soutirage en définissant un procédé de mise en gaz parfaitement sûr et ne nécessitant pas l'utilisation de dispositifs de sécurité complexes. En outre, la technique classique de mise en gaz ne permet de vider la cavité de sa saumure que jusqu'au niveau supérieur atteint par les insolubles. Dans certains cas, le volume perdu du fait de la présence des insolubles peut représenter une partie importante du volume total créé par lessivage. C'est le cas lorsque les bancs d'insolubles sont nombreux car des blocs s'accumulent au fond de la cavité en occupant un volume important du fait de leur foisonnement. C'est également le cas lorsque des blocs de grande taille se détachent des parois et ne peuvent descendre jusqu'au fond, isolant ainsi une partie importante de la cavité. Même dans le cas d'une cavité formée dans un massif de sel ne contenant que peu d'insolubles, le fond est toujours occupé par une certaine hauteur d'insolubles qui s'y sont accumulés pendant le lessivage. La présente invention a également pour but de résoudre les problèmes précités de l'art antérieur, en fournissant un procédé de mise en gaz qui permet de vider presque complètement la cavité de sa saumure, y compris dans la partie occupée par les blocs d'insolubles accumulés au fond. Le procédé est caractérisé par le forage d'un puits de soutirage connexe, réalisé à partir de la surface à proximité du puits d'injection et débouchant dans la cavité sensiblement au niveau du fond de la cavité. Le puits ayant servi au lessivage et qui débouche dans la voûte de la cavité est utilisé pour l'injection du gaz, le puits connexe ou puits de soutirage servant à faire remonter la saumure en surface au fur et à mesure que le gaz est injecté dans la cavité par le puits d'injection. Le fait de prévoir un puits connexe pour le soutirage élimine la concentricité du tubage utilisé pour l'injection du gaz et de la colonne de soutirage et simplifie l'installation des équipements de puits, notamment des dispositifs de sécurité de subsurface. Le risque d'éruption de gaz par la colonne de soutirage de la saumure en cas de défaut d'étanchéité ou de rupture de cette colonne est supprimé. On évite également les manoeuvres hasardeuses de remontée de la colonne dans un puits en gaz sous pression. En outre, comme il n'y a plus colonne de soutirage introduite dans le puits d'injection, celui peut être équipé pour l'exploitation de la cavité de stockage dès la fin de la phase de lessivage et il n'y a plus d'opération délicate à la fin de la mise en gaz pour remonter la colonne de soutirage. Comme il n'y a plus de dispositifs de sécurité de subsurface complexes et que la section de passage dans chacun des puits peut être utilisée au maximum pour l'injection du gaz et le soutirage de la saumure, les pertes de charges sont minimisées et le débit de soutirage peut être beaucoup plus élevé que celui pouvant être obtenu par l'art antérieur. De plus, le procédé permet de soutirer la saumure contenue dans la partie de la cavité non accessible par le puits ayant servi au lessivage. Même dans cas où la cavité contient une grande quantité d'insolubles ou lorsqu'un bloc de grande taille ne peut descendre jusqu'au fond et divise la cavité en deux compartiments, il est possible de soutirer la saumure qui occupe les espaces entre les blocs d'insolubles, de sorte que la cavité peut être exploitée avec un maximum de volume utile de stockage. On comprendra que le présent procédé est particulièrement avantageux à mettre en oeuvre pour le soutirage de la saumure d'une cavité formée dans un massif de sel présentant un pourcentage élevé d'insolubles ou susceptible de provoquer la formation de blocs pouvant se détacher des parois de la cavité soit pendant le lessivage soit pendant la mise en gaz. Un autre avantage réside dans le fait que le positionnement précis du puits de soutirage peut se faire à la fin de la phase de lessivage en fonction de la géométrie réelle de la cavité et du taux de remplissage en insolubles. ll est même possible de forer un puits de soutirage commun à plusieurs cavités voisines, avec des connexions réalisées successivement à partir de la base du puits vers chacune des cavités. Selon une forme de réalisation de l'invention, le puits de soutirage comprend un tubage profond cimenté qui descend jusque dans le massif de sel où est développée la cavité à mettre en gaz. Il est prolongé en forage non revêtu jusque vers le fond la cavité. De façon préférentielle, le forage est incliné et atteint la cavité latéralement au niveau du fond. La connexion entre la base du forage et le fond de la cavité peut également être obtenue par lessivage. Le puits de soutirage est équipé d'une colonne de soutirage descendue jusqu'à proximité du niveau d'intersection avec la cavité et suspendue à la tête de puits. L'espace annulaire constitué par le puits et la colonne de soutirage est rempli d'un fluie inerte vis-à-vis du sel, par exemple du gazole. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront à la lumière de la description détaillée qui va suivre et qui donne, en référence aux dessins joints, un mode de réalisation non limitatif du procédé. Sur les dessins: - la figure 1 représente une vue en coupe verticale d'un puits foré dans un massif de sel et équipé pour le lessivage d'une cavité de stockage - la figure 2 représente une vue en coupe verticale d'une cavité de stockage lessivée dans un massif de sel, en cours de mise en gaz selon l'art antérieur, et - la figure 3 représente une vue en coupe verticale d'une cavité de stockage lessivée dans un massif de sel, en cours de mise en gaz selon la présente invention. L'installation de soutirage de la saumure selon l'invention, et illustrée sur la figure 3, comprend de manière générale une cavité saline 3 lessivée dans un massif de sel 2 et un puits d'injection 1 ayant servi au lessivage qui fait communiquer la cavité 3 avec la surface. Le puits d'injection 1 débouche dans la cavité 3 au niveau de la voûte 30, de sorte que le fond 31 de la cavité est situé sensiblement à la verticale du puits d'injection 1. Le massif de sel 2 contient des insolubles 20 qui, lors du lessivage, se sont accumulés au fond de la cavité sous forme d'un amas de blocs. Pour la formation de la cavité, des procédés classiques de lessivage ont été utilisés. On a commencé par forer le puits de lessivage 1 qui descend jusque dans le massif de sel 2. Le puits 1 a été équipé d'un tubage cimenté 1 1 qui en recouvre la paroi jusqu'à une profondeur inférieure à celle de la partie du sel à lessiver. Ce tubage est installé de manière définitive pour toute la durée de vie du stockage. Le puits 1 a été prolongé par un forage vertical non revêtu jusqu'à la base de la partie du sel à lessiver. Des opérations de lessivage se sont ensuite déroulées, consistant à faire circuler de l'eau sur la hauteur à lessiver et à remonter en surface la saumure formée par la dissolution du sel. Ces opérations sont réalisées à l'aide de tubages de lessivage généralement concentriques, descendus dans le puits. Lorsque la cavité a atteint sa taille définitive, l'injection d'eau est stoppée.A la fin de la phase de lessivage, la cavité 3 ainsi formée est pleine de saumure qui doit être extraite pour libérer le volume utilisé pour le stockage. La présente invention propose un procédé amélioré pour mettre la cavité en gaz, c'est-à-dire pour introduire le produit gazeux à stocker et soutirer simultanément la saumure. L'invention prévoit pour ce faire de forer un puits de soutirage connexe 4 à partir de la surface, à une certaine distance du puits de lessivage et d'injection 1, pour atteindre la cavité 3 au niveau de son fond 31 ou sensiblement au-dessus. La distance séparant en surface les deux puits 1 et 4 est fonction de la géométrie de la cavité 3 et des moyens de réalisation du puits de soutirage 4. En effet, le puits de soutirage 4 doit être positionné de telle manière qu'il ne puisse pas atteindre la cavité 3 dans sa partie supérieure et qu'il débouche à proximité du fond 31 de la cavité.Comme on le voit sur la figure 3, le puits de soutirage 4 est dévié de manière à présenter une trajectoire qui lui permet d'atteindre directement le fond 31 de la cavité. Cette configuration du puits de soutirage nécessite un forage dirigé réalisable avec des techniques aujourd'hui bien maîtrisées. n est également possible de réaliser un puits de soutirage vertical positionné judicieusement pour permettre d'établir par lessivage une connexion entre la base du puits de soutirage et le fond de la cavité. Le positionnement du puits de soutirage en surface, de sa trajectoire et de l'endroit où il débouche dans la cavité se fera de préférence à la fin de la phase de lessivage pour tenir compte de la géométrie réelle de la cavité et du taux de remplissage en insolubles.Quoi qu'il en soit, il est toujours avantageux que l'extrémité inférieure du puits de soutirage 4 débouche le plus près possible du fond 31. Cela permet le soutirage de la plus grande partie de la saumure 5 contenue dans la cavité et d'obtenir un volume utile de stockage le plus grand possible. En effet, la saumure ne peut être soutirée que jusqu'au niveau de l'intersection du puits de soutirage 4 et de la cavité 3. Une hauteur minimale de saumure devra être maintenue au-dessus de ce niveau pour empêcher tout risque d'éruption de gaz par le puits de soutirage 4. Dans la disposition de l'installation prévue par le présent procédé pour le soutirage de la saumure, il n'y a pas de colonne de soutirage placée dans le puits d'injection 1 de gaz, ce qui simplifie la complétion de ce puits et réduit les difficultés techniques rencontrées dans l'art antérieur. La complétion du puits 1 ayant servi au lessivage et par lequel le gaz est injecté est celle prévue pour l'exploitation du stockage. On peut donc, dès la fin de la phase de lessivage, aménager le puits d'injection avec son équipement d'exploitation, cc qui contribue à améliorer la sécurité de l'opération de mise en gaz. Le type de complétion utilisé pour ce puits est similaire à celui des puits d'autres stockages souterrains de gaz ou de production de champs gaziers. Sur la figure 3, le puits 1 est équipé du tubage cimenté 1 1 placé avant le début du lessivage dans lequel est installée une vanne de sécurité dc fond 18.Cette vanne 18 ne nécessite pas de technologie particulière contrairement à celle nécessaire pour obtenir le même degré de sécurité dans le cas d'un soutirage de la saumure selon l'art antérieur. La complétion du puits d'injection 1 peut comporter éventuellement un tubage de production non représentée sur la figure 3 et qui est destiné à protéger le tubage cimenté 11. En surface, la tête de puits 10 est équipée de vannes 16 pour la fermeture et l'ouverture du puits d'injection 1. Lors de la phase d'exploitation du stockage, ce puits 1 est utilisé pour l'injection et le soutirage du gaz. Quant au puits de soutirage 4, il est également équipé d'un tubage cimenté 41 qui descend jusque dans le massif de sel 2, comme indiqué sur la figure 3. ll est préférable que la partie inférieure du puits de soutirage 4 ne soit pas revêtue par un tubage cimenté afin d'en faciliter l'obstruction lorsque le soutirage de la saumure est terminé. Pour la phase de mise en gaz, le puits de soutirage 4 est équipé d'une colonne de soutirage 42 descendue jusqu'à une profondeur proche du niveau de l'intersection avec la cavité 3. En surface, cette colonne 42 est suspendue à une tête de puits 40 équipée de vannes 43 et 44 permettant de fermer l'intérieur de la colonne de soutirage 42 ainsi que l'espace annulaire 45 constitué par la paroi du puits 4 et la colonne 42.Avantageusement, cet espace annulaire est rempli avec un fluide inerte vis-à-vis du sel, par exemple du gazole. La présence d'une colonne de soutirage 42 dans le puits 4 facilite les interventions qui pourraient être nécessaires en cas de colmatage dû par exemple à la cristallisation du sel lors de la remontée de la saumure 5 vers la surface et permet l'injection périodique d'eau douce. L'espace annulaire est rempli de gazole ou d'un autre fluide inerte vis-à-vis du sel, de façon à empêcher la dissolution de la paroi de la partie inférieure du puits 4 ainsi que la cristallisation du sel qui pourrait avoir comme conséquence le coincement de la colonne 42. Pour la mise en gaz et le soutirage de la saumure 5, l'installation se trouve dans la configuration représentée par la figure 3. Du gaz est injecté sous pression dans la cavité 3 par le puits d'injection 1, ce qui fait remonter la saumure 5 en surface par la colonne 42 placée dans le puits de soutirage 4. L'injection du gaz est poursuivie jusqu'à ce que le niveau de la saumure 5 dans la cavité 3 arrive juste au-dessus de l'extrémité inférieure du puits de soutirage 4, la saumure 5 restant alors dans la cavité 3 ne pouvant être extraite.A l'issue de la phase de mise en gaz, le gazole ou autre fluide présent dans l'espace annulaire est récupéré, la colonne de soutirage 42 est remontée en surface et le puits de soutirage 4 est obstrué par un bouchon de ciment sur toute sa partie non revêtue par le tubage cimenté 41, de manière à éviter tout risque de fuite de gaz pendant l'exploitadon. ll est à noter que le retrait de la colonne de soutirage 42 peut s'effectuer sans qu'il soit nécessaire de mettre en oeuvre de techniques particulières pour se prémunir contre une éruption de gaz.Il suffit pour ce faire de rabaisser la pression du gaz dans la cavité à la valeur correspondant à la pression hydrostatique de la colonne de saumure comprise entre la surface et le niveau de l'interface gazlsaumure dans la cavité, la saumure jouant en quelque sorte le rôle d'un bouchon hydraulique qui isole le gaz contenu dans la cavité du puits de soutirage. Une meilleure sécurité lors de l'extraction de la colonne de soutirage est ainsi obtenue avec des moyens plus simples. La présente technique offre donc à la fois une amélioration et une simplification pour la remontée de la colonne de soutirage en fin de mise en gaz. La technique de mise en gaz qui vient d'être décrite est particulièrement avantageuse à utiliser pour des sites où le massif de sel présente un pourcentage élevé d'insolubles et notamment ceux où les insolubles apparaissent sous forme de bancs plus ou moins épais. En effet, lorsque ces insolubles ne sont pas tombés au fond de la cavité pendant la phase de lessivage, ils constituent des formes saillantes souvent instables. Lors de la mise en gaz, la poussée d'Archimède exercée sur ces blocs diminue subitement et les risques d'instabilité sont accrus d'une façon importante. Au meilleur des cas, les blocs qui se détachent s'accumulent au fond de la cavité. Mais il peut arriver que des blocs viennent obstruer la cavité à des niveaux beaucoup plus hauts, divisant la cavité en plusieurs compartiments. Le risque est d'autant plus grand que les bancs d'insolubles sont nombreux et épais, et la cavité de faible diamètre.Cette situation peut également se produire pour un massif de sel ayant peu d'insolubles mais dont l'aptitude à être lessivé est telle que le lessivage produit une cavité de forme irrégulière où des blocs de sel se détachent des parois et s'accumulent au fond de la cavité sans se dissoudre. Avec la technique de l'art antérieur, la chute d'un bloc de grande taille pendant la mise en gaz a généralement pour conséquence l'endommagement ou même la rupture de la colonne de soutirage. Des manoeuvres délicates et coûteuses sont alors nécessaires pour remettre en état l'installation et reprendre la mise en gaz.De plus, dans le cas où la cavité a été obstruée au cours du lessivage ou pendant la mise en gaz par un bloc n'ayant pu descendre jusqu'au fond, le soutirage de la saumure ne peut pas être réalisé au-dessous de l'obstruction et une partie importante du volume de la cavité peut être perdu. Grâce à la technique de la présente invention, tout risque de rupture de la colonne de soutirage par la chute de blocs est éliminé. En outre, le positionnement de l'extrémité du puits de soutirage au niveau du fond de la cavité permet de vider un maximum de saumure et donc d'utiliser au mieux le volume de la cavité comme capacité de stockage. Même dans le cas d'obstructions provoquées par la chute de blocs, la saumure peut être soutirée d'une façon optimale. La présente invention permet de ce fait la réalisation d'installations de stockage dans des sites salifères comportant beaucoup d'insolubles, qui ne peut pas être envisagée avec la technique de l'art antérieur. Revendications 1.- Procédé de mise en gaz d'une cavité saline (3) de stockage de produit gazeux formée par lessivage dans un massif de sel (2) et remplie de saumure (5) une fois la phase de lessivage terminée, ladite cavité (3) comprenant un fond (31) et une voûte (30), un puits (1) foré pour le lessivage débouchant dans la voûte (30) et faisant communiquer ladite cavité saline (3) avec la surface, ledit puits (1) servant également de puits d'injection pour l'introduction du produit gazeux à stocker, caractérisé en ce que le procédé comprend l'étape de forer un puits de soutirage connexe (4) à partir de la surface à proximité dudit puits d'injection (1), le puits de soutirage (4) reliant ladite cavité saline (3) sensiblement au-dessus de son fond (31) pour soutirer la saumure (5) de la cavité (3) à travers ledit puits de soutirage (4) à mesure que du produit gazeux y est injecté par le puits d'injection (1). 2.- Procédé de mise en gaz selon la revendication 1, dans lequel le puits de soutirage (4) comprend un tubage profond cimenté (41) qui descend jusque dans le massif de sel (2). 3.- Procédé de mise en gaz selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le puits de soutirage (4) comprend une section non revêtue débouchant latéralement dans la cavité (3). 4.- Procédé de mise en gaz selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le puits de soutirage (4) relie le fond (31) de la cavité (3) par une connexion obtenue par lessivage. 5.- Procédé de mise en gaz selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le puits (4) comprend une colonne de soutirage (42) descendant sensiblement jusqu'à proximité du niveau du fond (31) de la cavité (3) constituant avec la paroi du puits (4) un espace annulaire (45). 6.- Procédé de mise en gaz selon la revendication 5, dans lequel l'espace annulaire (45) est rempli d'un fluide inerte vis-à-vis du sel. 7.- Procédé de mise en gaz selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le fond (31) de la cavité (3) étant partiellement rempli d'insolubles ou de blocs de sel qui s'y sont accumulés lors de l'étape de lessivage, ledit puits de soutirage (4) débouchant vers le fond (31) de la cavité (3) à un niveau inférieur à celui des insolubles ou des blocs de sel accumulés. 8.- Utilisation d'un procédé de mise en gaz selon l'une quelconque des revendications précédentes pour le soutirage de la saumure d'une cavité saline présentant des blocs saillants d'insolubles ou de sel pouvant se détacher des parois pendant le soutirage de la saumure.