Brevet FR2984510A1 — publié le 20130621

Le domaine technique de la présente invention est celui de la détermination et de l'analyse de la provenance de CO2 mesurée dans le sol. L'invention concerne un dispositif de mesure permettant de distinguer le CO2 provenant d'un réservoir géologique profond, du CO2 produit biologiquement dans le sol. L'invention est fondée dans le couplage de plusieurs systèmes de mesure en un unique dispositif cohérent, nécessaire et suffisant pour la discrimination de l'origine du CO2 présent dans les sols. La problématique de la détection, et la détermination d'un flux de gaz profond de CO2 à la surface du sol réside dans le fait que le sol est un système émissif de CO2 en lui même, et ce par l'activité biologique bactérienne et végétale qui s'y développe. Ces activités sont extrêmement variables selon les paramètres conditionnant la pédologie (climat, substratum rocheux, végétation, activité humaine) et de ce fait, difficiles à appréhender autrement que par la mesure. Bien que certains modèles bio-physiques permettent de reproduire ces variabilités, ceux-ci restent très expérimentaux (Moncrieff et Fang, (2) ; Saiz et al. (5)) et ne sont donc pas adaptés à la prédiction des conditions "naturelles" du sol. Ces conditions naturelles définissent ce qu'on appelle la "ligne de base" ou "baseline" et elles doivent être définies par la mesure in- situ des paramètres physico-chimiques du sol, et in fine faire l'objet d'un modèle prédictif basé sur la mesure de certaines variables physiques. Un flux d'origine profonde de CO2 vient se superposer à la ligne de base («baseline»), et sa détection doit donc permettre de différencier les deux contributions au flux total. La solution proposée par la présente invention se base sur l'utilisation d'une installation permettant de caractériser des paramètres nécessaires afin de distinguer un CO2 profond d'un CO2 biologique naturel. Ainsi, la présente invention concerne une installation pour l'analyse et la détermination 30 des flux de CO2 afin de discriminer un flux de CO2 d'origine profonde, caractérisée en ce qu'elle comporte en combinaison : - une station de surface météorologique équipée d'une chambre de collecte des gaz de surface, - au moins trois moyens de prélèvement à trois profondeurs différentes dans le sol, - des moyens de mesure de la concentration en CO2, N2, et 02 audites trois profondeurs, - des moyens de mesure de la concentration en CO2 contenu dans le gaz recueilli dans la chambre de collecte, - des moyens de mesure de la saturation en eau entre lesdites trois profondeurs. Les moyens de prélèvement et de mesure peuvent comporter chacun deux conduits pour le transport du fond vers la surface du gaz prélevé audites trois profondeurs, et une électrode de mesure de la saturation en eau. L'installation peut comporter des moyens d'analyse, de calcul et de traitement de l'ensemble des mesures effectuées. Les moyens d'analyse, de calcul et de traitement de l'ensemble des mesures effectuées peuvent comporter des moyens d'implémentation au moins d'un modèle de production biologique du CO2 dans le sol, et un modèle physique d'écoulement des fluides en milieu poreux non saturé. L'invention concerne également une méthode de mise en oeuvre de l'installation, dans laquelle on traite les mesures effectuées en utilisant lesdits modèles, et en ce que l'on détermine le flux de CO2 d'origine profonde. On peut définir une alarme lorsque le flux de CO2 d'origine profonde atteint un seuil déterminé La présente invention sera mieux comprise et ses avantages apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui suit, illustrée par les figures ci-après annexées, parmi lesquelles : - les figures la et lb montrent schématiquement la disposition de l'installation selon 30 l'invention, - la figure 2 montre plus en détails la station de surface, - la figure 3 illustre schématiquement un exemple de réalisation d'une sonde de mesure et de prélèvement dans le sol. L'installation comprend une combinaison d'instrumentations nécessaire à : 1. La mesure en surface, notamment de la température atmosphérique, de la pression atmosphérique, du taux d'humidité de l'air, ainsi que de la vitesse du vent ; 2. La mesure en surface du flux de CO2 ; 3. La mesure de la concentration en CO2, en 02 et en N2 à trois niveaux de profondeur différents dans le sol ; 4. La mesure de la température dans le sol ; 5. La mesure de la saturation en eau du sol entre les trois points de mesure. La figure 1 a montre l'installation selon l'invention comprenant une station de mesure en surface 1 et trois moyens de mesures constitués par des sondes de mesure et de prélèvement à trois profondeurs différentes 2, 3, et 4. La figure lb montre, en vue de dessus, la disposition préférée des trois moyens de mesures sensiblement en triangle autour de l'axe vertical de la station 1. Les sondes de prélèvements et de mesures installées dans le sol (2, 3, 4) sont adaptées à faire circuler le gaz en système fermé entre le sol (points de prélèvement) et l'analyseur, et servent également d'électrode pour la mesure de saturation en eau. Les moyens de prélèvement des gaz sont présents à trois niveaux distincts dans le sol. L'ordre de grandeur des profondeurs est du mètre à quelques mètres maximum, selon la pédologie de chaque site. L'objectif est d'avoir, au moins un point de mesure dans le sol, un autre à la base du sol, et un troisième dans le voisinage du substratum. La figure 2 illustre la station de surface posée sur sol pour constituer une chambre de collecte 5 du flux de gaz provenant du sol. Elle comporte des moyens d'analyse, notamment par des cellules infrarouge, du CO2, N2, 02, H2O, une station météorologique 7, et des moyens de distribution et de mesure 8 sur les gaz prélevés par les trois sondes. La figure 3 montre une réalisation de sonde de prélèvement et de mesure dans le sol. Elle peut être constituée par un tube 9 isolé électriquement, en PVC ou métallique, de la longueur adaptée à la profondeur de mesure. L'extrémité inférieure comporte un élément perméable aux gaz 10, par exemple un filtre à sable et/ou une membrane semi-perméable. L'extrémité comporte également une électrode 11 pour une mesure de saturation en eau. En aval du filtre à sable, deux conduits de prélèvement 12 et 13 disposés à l'intérieur du tube communiquent avec la surface où se trouve les analyseurs. Une ligne de conducteurs électriques relie l'électrode 11 à la surface. Les deux conduits 12 et 13 permettent une circulation d'un gaz porteur entre la surface, le fond, et retour à la surface, pour transporter les gaz présents à l'extrémité de la sonde vers des analyseurs de surface. Les analyseurs peuvent de préférence être installés dans la station de surface, où les gaz de surface recueillis sont aussi analysés. La station de surface assure un contrôle continu des paramètres météorologiques (température, vitesse et direction du vent, pluviométrie, pression). L'instrument de mesure du flux de surface est capable de mesurer des flux de CO2 dans une gamme comprise entre 1.10-2 et 10 mol/m2/jour, sans perturbation du flux naturel. L'instrumentation de mesure des concentrations en CO2, 02 et N2 des gaz prélevés par les sondes dans le sol, est de préférence adaptée à détecter des concentrations dans une gamme allant de 0,03 à 20 % de CO2, de 0 à 25 % d'02, et de 10 à 85 % de N2, sans perturber l'équilibre des compositions des gaz du sol. Pour ce faire, on utilise un seul et unique analyseur pour analyser successivement les teneurs des gaz des trois niveaux dans le sol, tout en déterminant les flux associés recueillis dans la chambre à flux. Une autre solution technique consisterait à disposer d'autant d'analyseurs que de points d'analyse, mais cette solution est clairement plus coûteuse et complexe. On peut concevoir des systèmes d'analyse basés sur les technologies infrarouges, robuste, rapide et énergétiquement économes. La saturation en eau dans le sol est mesurée entre les trois points d'extrémité des sondes, et sera représentative des saturations des épaisseurs de sol séparant ces trois points. Les prélèvements de gaz doivent permettre d'effectuer un échantillonnage représentatif de la composition des gaz du sol, sans perturber ces derniers. Un échantillonnage ponctuel dans le temps, peut permettre de préciser la composition isotopique du carbone du CO2, ainsi que de la composition en gaz rares (He, Ne, Ar, Kr et Xe) des gaz du sol, selon la variabilité des paramètres mesurés en continu (la composition isotopique du carbone pouvant être obtenue in situ par une spectroscopie laser). L'installation complète ne doit pas impliquer d'anomalie locale quant à l'écoulement des fluides dans le sol autour des instruments, de façon à pouvoir analyser d'une manière bien représentative les paramètres physico-chimiques du sol. Mise en oeuvre de l'installation : La mise en oeuvre du dispositif exploite trois applications dans le cadre de surveillance de stockage de gaz : 1) la définition de la ligne de base, c'est à dire l'émissivité naturelle du CO2 à la surface des sites de stockage, 2) la mise en application d'une méthodologie de distinction d'un flux biologique d'un flux profond, 3) l'utilisation de modèle de transport de fluide en milieu poreux, afin de caractériser et de quantifier les flux de CO2 au travers du sol. 20 Ainsi, en ce qui concerne la ligne de base, c'est-à-dire l'émissivité naturelle de la productivité biologique en CO2 du sol: la modélisation de la production biologique, et de l'émissivité naturelle des sols en CO2 peut se faire de manière numérique afin de décrire de manière prédictive le comportement des sols dans le cadre de l'établissement d'une ligne de 25 base. Pour ce faire, le modèle doit être calé sur un jeu de données acquis sur le sol dont on veut établir la ligne de base. Ce jeu de données comporte les données compositionnelles des gaz du sol (CO2, N2, 02), la température du sol, la pression atmosphérique, la saturation en eau du sol, la pluviométrie, et le flux de CO2 émis par le sol. La manière dont ces données sont utilisées pour définir le modèle numérique est détaillée, par exemple, dans les 30 publications « Fang et Moncrieff (2) et Saiz et al. (5) » au sujet du modèle PATCIS. Ainsi, l'installation faisant l'objet de cette invention permet d'acquérir en un seul ensemble, l'intégralité des données nécessaires à l'établissement du modèle numérique de productivité et d'émissivité biologique d'un sol, et donc d'en faire une ligne de base robuste et prédictive. La présente invention permet d'utiliser des modèles de migration de fluides en milieu poreux, grâce à l'exhaustivité des paramètres mesurés, vis à vis des besoins de ces modèles. En effet, les modèles numériques de description de la migration d'espèces gazeuses en milieu poreux font appel à une série de paramètres interdépendants, dont le suivi conditionne l'utilisation de ces modèles. Par exemple, un modèle connu sous le nom de Dusty Gas Model (DGM) permet de lier les teneurs et les flux de composés gazeux multiples selon les dimensions spatiales et selon les propriétés du milieu (Mason et al. (3) ; Thorstenson and Pollock, (6)). Notamment, le DGM permet de dériver les variations de concentration avec la profondeur d'un constituant, en son flux vertical, connaissant le coefficient de diffusion du constituant dans le gaz, la tortuosité du milieu, la température du sol et la pression atmosphérique (Evans et al. (1); Rouchon et al., (4)). L'installation faisant l'objet de l'invention, grâce à ses capacités de mesures des concentrations à trois profondeurs, de mesure de la saturation du sol (et donc par utilisation d'un modèle de tortuosité, la variation de tortuosité du sol), de la température du sol et de la pression atmosphérique, calcule un flux vertical à la base du dispositif pour ce constituant. De plus, la détermination d'un flux profond par dérive d'un gradient vertical de concentration peut ainsi, et ce grâce au même dispositif, être comparée au flux de CO2 biologique calculé par le modèle de productivité et d'émissivité biologique, ainsi qu'au flux de surface mesuré par la chambre d'accumulation. Ainsi, la présente invention permet de diagnostiquer d'une manière robuste la part du flux de CO2 mesurée en surface correspondant à 1) l'activité biologique dans le sol et 2) un flux profond. De plus, les variations de ces deux contributions au flux total pourront être jugées dans un cadre bien contraint par la mesure des paramètres physico-chimiques de l'environnement du sol (surface et subsurface). L'invention permet également l'échantillonnage des gaz aux trois niveaux de mesures dans le sol, afin de pouvoir en faire des analyses complémentaires en laboratoire (isotopie du carbone, gaz rares). Ces analyses pourront permettre de préciser l'origine du flux de CO2 profond. Références (1) Evans, W.C., Sorey, M.L., Kennedy, B.M., Stonestrom, D.A., Rogie, J.D., Shuster, D.L. (2001). "High CO2 emissions through porous media: transport mechanisms and implications for flux measurement and fractionation. » Chemical. Geology, 177, 15-29. (2) Fang, C., Moncrieff, J. B. (1999). "A model for soil CO2 production and transport 1: model development." Agricultural and Forest Meteorology, 95, 225-236. (3) Mason, E.A., Malinauskas, A.P., Evans, R.B. (1967). "Flow and diffusion of gases in porous media. » Journal of Chemical Physics, 46, 3199-3126. (4) Rouchon, V., Magnier, C., Miller, D., Bandeira, C., Gonçalves, R., Dino, R. (2011). « The relationship between CO2 flux and gas composition in soils above an EOR-0O2 oil field (Brazil): A guideline for the surveillance of CO2 storage sites. " Energy Procedia, 4, 3354- 3362 . (5) Saiz, G., Black, K., Reidy, B., Lopez, S., Farrell, E. P. (2007). "Assessment of soil CO2 efflux and its components using a process-based model in a young temperate forest site." Geoderma, 139, 79-89. (6) Thorstenson, D.C., Pollock, D.W. (1989) "Gas transport in unsaturated porous media, the adequacy of Fick's law." Reviews in Geophysics, 27, 61-78. REVENDICATIONS1) Installation pour l'analyse et la détermination des flux de CO2 afin de discriminer un flux de CO2 d'origine profonde, caractérisée en ce qu'elle comporte en combinaison : - une station de surface météorologique équipée d'une chambre de collecte des gaz de surface, - au moins trois moyens de prélèvement à trois profondeurs différentes dans le sol, - des moyens de mesure de la concentration en CO22, N2, et 02 audites trois profondeurs, - des moyens de mesure de la concentration en CO2 contenu dans le gaz recueilli dans la chambre de collecte, - des moyens de mesure de la saturation en eau entre lesdites trois profondeurs. 2) Installation selon la revendication 1, dans laquelle lesdits moyens de prélèvement et de mesure comportent chacun deux conduits pour le transport du fond vers la surface du gaz prélevé audites trois profondeurs, et une électrode de mesure de la saturation en eau. 3) Installation selon l'une des revendications 1 ou 2, qui comporte des moyens d'analyse, de calcul et de traitement de l'ensemble des mesures effectuées. 4) Installation selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle les moyens d'analyse, de calcul et de traitement de l'ensemble des mesures effectuées comportent des moyens d'implémentation au moins d'un modèle de production biologique du CO2 dans le sol, 25 et un modèle physique d'écoulement des fluides en milieu poreux non saturé. 5) Méthode de mise en oeuvre de l'installation selon la revendication 4, dans laquelle on traite les mesures effectuées en utilisant lesdits modèles, et en ce que l'on détermine le flux de CO2 d'origine profonde. 30 6) Méthode selon la revendication 5, dans laquelle on définit une alarme lorsque le flux de CO2 d'origine profonde atteint un seuil déterminé.