Brevet FR3087475A1 — publié le 20200424

Description Titre de nvention ô Procédé et système d'injection de gaz en sous- sol Domaine technique [0001] 1.2 présente invention concerne le domaine de :l'injection de gaz dans une formation souterraine. L'injection de gaz dans le sous-sol est une opération largement répandue dans l'industrie pétrolière, notamment dans le cadre des techniques d'EOR (Enhanced Oil Re covery) grâce à l'injection de gaz naturel ou de CO2 dans les réservoirs p, troliers afin d'améliorer la récupération de pétrole. Il y a actuellement de nombreux projets de réinjection de CO2 pour de l'EOR à travers le monde. L'injection alternée d'eau et de gaz est également mise en place pour l'EOR (\Viner Alternating Gas (WAG) Injection). [0002] L'injection de CO2 en milieu souterrain est également utilisée pour les projets de sé- questration du CO, dans le sous--sol pour limiter l'effet de serre et réduire son impact sur le changement climatique. Il y a actuellement quatre projets industriels de CCS (Carbon Capture and Sequestration) en opération dans le monde permettant de stocker 5 millions de tonnes de CO2 par an. [0003] Le gaz peut être injecté seul avec une pression en tête de puits correspondant à un gradient de pression de gaz sur toute la profondeur du puits. Cette solution nécessite des moyens de compression de gaz important, entraînant une consommation d'énergie et un coût d'investissement élevés. Technique antérieure [00041 Des technologies d'injection simultanée de gaz et de liquide dans le même puits, basées sur la dissolution complète du gaz dans le liquide dans le puits, l'injection de gaz. étant réalisée par une canne d'injection. centrale, sont connues par exemple par la solution Carbfix (projet de recherche collaboratif), testée et approuvée sur le site de Hellisheidi en Islande, ou de la demande de brevet US 4 632 601 A. Pour pouvoir dissoudre totalement le gaz dans le liquide, un faible ratio de volume de gaz sur volume de liquide est nécessaire. De fait, ces technologies limitent le débit d'injection de gaz dans le puits, [0005] D'autres dispositifs permettant la réinjection simultanée d'un gaz et d'un liquide, de - manière diphasique, ont été proposés. Magma Energy !talla, GeothermEx et Schlumberger Software et la demande de brevet I P 2012. 207 605 A proposent une canne d'injection centrée dans le puits, L'utilisation de cette canne de faible diamètre entraîne l'impossibilité d'intervention au , 11.2S, des gaz naturels ou hien encore des mélanges de ces gaz. [0065; De préférence, les ouvertures/fermetures des points d'injection peuvent suivre une séquence d'ouvertures/fermetures. Ainsi, la séquence peut être prédétinie de manière automatique ou être activée manuellement par un équipement relié au câble lisse. [0066 De manière avantageuse, la séquence d'ouvertures/fermetures peut comporter l'ouverture d'un point d'injection qui se produit lorsque d'une part, la pression du fluide traversant le cylindre central est supérieure à la pression de l'autre fluide, au niveau du point d'injection concerné, et d'autre part, lorsque la pression du liquide est supérieure à un seuil de pression prédéterminé, au niveau du point d'injection concerné. [00671 En effet, lorsque la pression de liquide est supérieurmain seuil, on peut s'assurer que le niveau de la colonne de liquide dépasse le point d'injection. L'injection de gaz dans une telle colonne de liquide (par exemple de l'eau) favorise le mélange liquide/gaz et l'obtention d'un écoulement diphasique. [00681 De plus, en assurant une pression du Fluide( supérieure à la. pression du Fluide2, on s'assure que le Fluidt2 ne peut effectivement pas charnier d'espace de circulation (l'espace de circulation étant le volume central ou le volume annulaire), la différence de pression n'y étant pas favorable. [00691 Selon un mode de réalisation du procédé selon l'invention, le seuil de pression pré- détei miné peut être différent pour chacun des points d'injection. L.aa variation de Ce 10 paramètre le long du puits peut permettre d'améliorer les performances d'injection de gaz. [0070] Dans un premier mode de réalisation recédé selon:'invention [0071] a. On peut injecter séparément le liquide dans le volume central et le gaz clans le volume annulaire, On peut mélanger le liquide et le gaz en faisant traverser radiale/ment le cylindre central parle gaz du volume annulaire vers le volume central par l'ouverture d'an moins un point d'injection parmi les au moins deux points d'injection répartis le long du cylindre central. Le liquide, quant à lui, reste dans le volume central, la sortie de mélange liquide/gaz étant située au pied du volume central. e. On peut faire. ressortir le mélange liquide/gaz ainsi obtenu au niveau de la sortie de mélange gaz/liquide. [0072] Ce mode de réalisation est particulièrement avantageux. En effet, il permet une re-- compression efficace de la colonne de liquide contenue dans le volume central en injectant le gaz dans la colonne, permettant ainsi de limiter la pression d'injection de gaz en tête de puits. [0073] Par ailleurs, injecter le gaz dans une colonne de liquide stable permet de favoriser le mélange et l'écoulement diphasique. [0074] De plus, cette solution facilite les opérations de démarrage en limitant la pression d'injection de gaz nécessaire en tête de puits, la colonne de liquide disposant d'un gradient de pression hydrostatique plus important que celui du gaz. [0075] Selon. un deuxième mode de réalisation du procédé selon l'invention : [0076] a. On peut injecter séparément le liquide dans le volume central et le gaz dans le volume annulaire, b. On peut mélanger le liquide ct le gaz en faisant traverser radialement le cylindre central par le liquide du volume central vers le volume annulaire par au moins deux points d'injection répartis le long du cylindre central, la sortie de mélange liquide/gaz étant située au pied du volume central. On peut faire ressortir le mélange liquide/gaz ainsi obtenu au niveau de la. sortie de mélange gaziliquide, la sortie de mélange liquide/gaz étant située au pied du volume annulaire. 100771 Selon un troisième mode de réalisation du procédé selon l'invention [00781 On peut injecter séparément le liquide dans le volume annulaire et le gaz dans le volume central, On peut mélanger le liquide et le gaz en taisant traverser radialement le cylindre central par le liquide du volume annulaire vers le volume central par au moins deux points d'injection répartis le long du cylindre central, la sortie 11 de mélange liquide/gaz étant située au pied du volume central. c. On peut faire ressortir le mélange liquide/gaz ainsi obtenu au niveau de la sortie de mélange gaz/liquide, la sortie de mélange liquide/gaz étant située au pied du volume central. [0079] Selon un quatrième mode de réalisation du procédé selon l'invention [0080] 2L On peut injecter séparément le liquide dans le volume annulaire et le gaz dans le volume central, On peut mélanger le liquide et z en faisant traverser radialement le cylindre central par le gaz du volume central vers le volume annulaire par au moins deux points d'injection répartis le long du cylindre central, la sortie de mélange liquide/gaz étant située au pied du volume central. e. On peut faire. ressortir le mélange liquide/gaz ainsi obtenu au niveau de la sortie de mélange gaz/liquide, la sortie de mélange liquide/gaz étant située au pied du volume annulaire. [0081] Dans ce cas, après avoir traversé le cylindre central, le gaz est injecté dans la colonne de liquide qui s'est installée. clans le volume annulaire, L'injection de gaz à une altitude inférieure à la surface de la colonne d'eau (la surface de la colonne d'eau correspond à l'interface air/eau de la colonne d'eau) favorise le mélange et sécurise l'écoulement di-phasique, [0082] De manière avantageuse, on peut mélanger le liquide et le gaz par au moins deux points d'injection régulièrement répartis sur le cylindre central, le .long du puits. Par régulièrement répartis, on entend que les points d'injection sont espacés longitudinalement d'au moins plusieurs mètres, de préférence au moins dix mètres, voire d'au moins cent mètres. [0081311 De cette manière, les opérations de démarrage d'injection de gaz dans la formation souterraine sont facilitées. En effet, en utilisant un premier point d'injection en partie basse, le mélange liquide/gaz peut s'amorcer dans une colonne de liquide de hauteur relativement faible, ce qui facilite le démarrage notamment lorsque l'injectivite du puits est élevée (l'injectivité est la capacité d'absorption du puits pour recevoir et écouler les fluides dans la Formation souterraine). Lorsque le mélange liquide:/gal se crée après le démarrage de l'introduction du gaz dans la colonne de liquide, le mélange liquide/gaz dispose d'un gradient de pression hydrostatique situé entre celui du liquide et celui du gai,. Cela a pour effet une remontée d.e la surface de la colonne de liquide dans le volume concerné puisque la pression au niveau du point d'injection augmente par l'effet d'aillègement de la colonne. [00841 On peut alors injecter le gaz sur un point d'injection situé à un niveau supérieur dans le puits et peu à peu créer un mélange sur une portion importante du puits dans la mesure des conciliions d'injectivité en rond de puits. )085] De plus, utiliser des points d'injection régulièrement répartis sur fo cylindre central, le long du puits, peut permettre une flexibilité de l'installation en fonction du gaz, du liquide, des caractéristiques de solubilité de l'un dans l'autre, de I injectivité du fluide (l'injectivité du puits étant sa capacité à introduire le mélange dans la formation souterraine. Elle dépend à la fois des fluides en jeu et des caractéristiques de porosité/ perméation de la formation souterraine). [0086] De manière préférée, la séquence d'ouvertures/fermetures peut comprendre les ou- vertures successives des différents points d'injections en partant du point d'injection le plus bas du puits vers le point d'injection le plus haut du puits. Cette caractéristique facilite le démarrage de l'injection de gaz dans la formation souterraine en utilisant, grke à la présence d'une colonne de liquide ct de son gradient de pression hydrostatique favorable, une pression d'injection de gaz réduite en tête de puits. Lors de la remontée de la colonne de liquide alors induite par la formation du mélange liquide/ gaz, l'injection de gaz peut alors se faire sur un point d'injection situé à un niveau plus haut dans le puits, sans avoir à augmenter la pression d'injection de gaz. [0087] Avantageusement, la séquence d'ouvertures/fermetures peut comprendre aussi les fermetures successives des points d'injections en partant du point d'injection le plus bas du puits vers le point d'injection le plus haut du puits. En effet, lors de la remontée de la colonne de liquide induite par la formation du mélange liquide/gaz, l'injection de gaz peut alors se faire sur un point d'injection situé à un niveau plus haut dans le puits, sans avoir à augmenter la pression d'injection de gaz. Le point d'injection situé plus bas peut donc se fermer, évitant ainsi d'avoir à utiliser une pression supérieure de gaz pour injecter dais la colonne d'une part et évitlnt également que le mélange liquide/ gaz formé ne pénètre dans l'autre volume par l'intermédiaire de ce point d'injection si la pression du mélange liquide/gaz à l'altitude du point d'injection concerné devient supérieur à celle du gaz situé à la même altitude. [00881 Ces fermetures successives peuvent se faire simultanément aux ouvertures suc- cessives ou bien avec un léger décalage. Par exemple, les fermetures successives peuvent se faire légèrement après les ouvertures successives : ainsi, sur une courte période, deux points peuvent être ouverts simullanémenl. Cela permet d'éviter l'arrêt d'injection de gaz qui pourrait être néfaste au maintien de l'écoulement diphasique. [00891 Selon une variante du procédé selon l'invention, lors de l'étape de mélange du liquide et du gaz, on peut augmenter progressivement le débit du gaz. De cette i Meut contrôler la formation du mélange et/ou le niveau de la colonne de mélange produit, ainsi que l'introduction, ou non, du Fluide] clans le Fluide2 par les multiples points d'injection. Cette variante est particulièrement intéressante pour instituer un contrôle passif d'ouvertures/fermetures des différents points d'injection grâce aux pressions relatives et/ou absolues et/ou aux débits engendrés. 13 [ )090] Alternativement. lors de l'étape de mélange du liquide et du gaz, on peut contrôler la pression d'injection du gaz. De cette manière, on peut contrôler de manière passive les ouvertures/fermetures des points d'injection grâce aux pressions relatives et/ou absolues, [00911 On peut également contrôler les ouverturosiforenetures des points d' injection via un contrôle commande spécifique, par exemple, par des vannes à ouverture pilotée. Cette particularité permet l'ouverture et ou la fermeture des points d'injection, sur décision de l'utilisateur. Elle peut s'avérer bénéfique lorsque le comportement du mélange n'est pas celui attendu ou pour des situations de fonctionnement anormales comme les variations d'injcctivité de la formation souterraine. Elle permet ainsi plus de flexibilité de fonctionnement à l'installation. [0092; De préférence, les vitesses superficielles de déplacement des fluides sont supérieures àl m/s, La vitesse superficielle d'un fluide est définie comme le rapport du débit de la phase de, ce fluide. seul, dans la section de passage où cette phase circule. Elle correspond ainsi à la vitesse moyenne de cette phase si elle était la seule phase à circuler dans la section de passage concernée. Ainsi, les conditions de circulation sont favorables à l'entraînement du gaz par la phase liquide et la mise en place d'un écoulement diphasique assurant une bonne recompression. [0093; L'invention concerne aussi un système d'injection de gaz dans une formation sou- terraine. pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une des caractéristiques précédentes, Ce système comprend notamment un puits comprenant lui-même au moins deux cylindres coaxiaux délimitant un volume central et un volume annulaire. Ces cylindres peuvent notamment être le casing et le tubing du puits réalisés à l'issue de la fin de forage et à la finition du puits. En partie haute, le puits comporte une tête de puits qui s'érige au-dessus du sol. Cette tête de puits comprend notamment une entrée de gaz et une entrée de liquide. Au pied du puits, le puits comprend aussi une sortie de mélange gaz/liquide pour introduire, dans la formation souterraine, le mélange liquide/gaz qui s'est formé dans le puits. Le système comprend un moyen de circulation de gaz pour faire circuler le gaz de l'entrée de gaz vers la sortie de mélange liquide/gaz, un moyen de circulation de liquide pour Caire circuler le liquide de l'entrée de liquide vers la sortie de mélange liquide/gaz, un moyen d'injection de liquide dans la tête de puits pour injecter le liquide dans un des deux volumes et un moyen d'injection de gaz, dans la tête de puits pour injecter le gaz dans l'autre volume. Le système comporte au moins deux moyens de passage radial permettant à l'un des fluides de traverser le cylindre central, répartis le long du puits. Les moyens de passage radial permettent les points d'injection d'un des deux fluides dans l'autre fluide. Par répartis le long du puits, on entend que les moyens de passage radial sont espacés longitudinalement sur le cylindre central, l'espacement représentant une zone significative du cylindre central. Par exemple, l'espacement longitudinal entre les moyens de passage radial peut être de plusieurs mètres, do préférence au moins dix mètres, et de manière encore plus préférée de plusieurs centaines de mètres. [00941 Au moins deux moyens de. passage radial sont utilisés afin d'améliorer la flexibiiité d'utilisation et de fonctionnement du puits d'une part et pour faciliter le démarrage de l'installation d'autre part, [0095] De préférence, le moyen de passage radial peut comprendre au moins une valve et un clapet de non-retour. La valve peut notamment comprendre un système d'ouverture lorsque la pression du liquide, au niveau de cette valve, dépasse un seuil de pression prédéfini, Ainsi, la valve peur s'ouvrir par exemple uniquement lorsque le niveau de la colonne de liquide au-dessus de la valve est suffisant. De plus, le clapet de non-retour comporte un moyen d'ouverture de clapet lorsque la pression du fluide traversant le cylindre central dépasse la pression do l'autre fluide, au niveau du clapet de non-retour. Le clapet de non-retour empêche notamment le Fluide2 de rejoindre le volume dans lequel le Fluide I est initialement injecté. [0096] Le clapet de non-retour est en communication avec le volume du Fluide] d'un côté et avec une chambre intermédiaire, elle-même en communication avec la valve. La valve est en communication avec le volume du Fluide2 d'une part et avec la chambre intermédiaire, en communication avec le clapet de non-retour. La chambre intermédiaire peut contenir le Fluide] ou le Fluide..2. [0097] De manière préférée, la valve est tarée par une charge en gaz dont la pression est égale au seuil de pression prédéterminé. De ce fait, la valve réalise un contrôle passif. [00981 Avantageusement, le système peut comporter un moyen d'obturation au pied du volume où aucun mélange liquidelgaz ne se forme. De préférence, le moyen d'obturation est un élément annulaire lorsque le volume ou se forme le mélange liquide/gaz est le volume centrai. De préférence, le moyen d'obturation est un élément cylindrique lorsque le volume où se forme le mélange liquide/gaz est le volume annulaire. [00991 De cette manière, le moyen d'obturation, par exemple un bouchon, permet d'étancher le bas du volume où aucun mélange ne se Corme. Ainsi, le fluide contenu dans ce volume est contraint de traverser le cylindre central par les moyens dédiés à cette fonction. Ainsi, le contrôle des échanges liquide gaz est amélioré. Les débits de liquide et de gaz sont également mieux contrôlés gr ce à la présence du moyen d'obturation. De plus, ce moyen d'obturation permet d'éviter une circulation « en boucle » du gaz : en effet, le gaz non entraîné dans le réservoir pourrait remonter dans le volume où aucun mélange liquide/gaz ne devrait normalement se former et ainsi tourner en boucle entre le point d'injection et la. partie basse du puits. [0100] Préférentiellement, le système peut aussi comporter un moyen de restriction po- 15 sillonné au-dessus du moyen de passage radial, dans le volume où se forme le mélange liquide/gaz. Si le volume où se forme le mélange liquide gaz est le volume central, ce moyen de restriction peut être un moyen de restriction du diamètre interne du cylindre central. Si le volume où se. forme le mélange liquide/gaz est le volume annulaire, ce moyen de restriction peut être un moyen de restriction comportant une restriction locale du diamètre du cylindre externe et/cm un agrandissement local du diamètre externe du cylindre central. Ce moyen de restriction peut par exemple être une vanne. Ainsi, la section de passage dans le volume considéré, qu'il soit le volume central ou le volume annulaire, est localement réduite. La position de ce moyen de restriction à un niveau longitudinal du puits, situé au-dessus du niveau du moven de passage radial permet d'éviter, une fois le mélange liquide/gaz produit, que le gaz ne soit tenté de remonter la colonne, par exemple si les vitesses superficielles sent trop faibles (inférieures à 1 m/s), en sens inverse de celui attendu, le sens attendu se dirigeant vers la sortie de mélange liquide/gaz situé en pied de puits, au niveau de la zone où le mélange est introduit dans la. formation souterraine. [0101] De manière avantageuse, les au moins deux moyens de passage radial sont régu- lièrement répartis le long du puits. On entend ainsi, que les différents passages radiaux soient espacés longitudinalement, par une longueur sensiblement constante, de préférence une longueur d'au moins dix mètres et de manière encore plus préférée, d'au moins cent mètres. Cette caractéristique permet de -faciliter les opérations de démarrage de l'injection de gaz dans la formation souterraine. [01021 Le système et le procédé selon l'invention permettent de réduire la pression d'injection de gaz en tête de puits, permettant de diminuer le coût des moyens de compression associés et la consommation énergétique, ce particulièrement au démarrage. [01031 La [Fig II illustre, de manière schématique et non limitative, un mode de réalisation du système et du procédé selon l'invention. Le système 100 est constitué d'un puits comprenant au moins un cylindre externe 10 et un cylindre interne, également appelé cylindre central, 20. Ces deux cylindres sont coaxiaux, d'axe xx, correspondant également à l'axe du puits. 01041 Le cylindre externe 10 peut être un casing de puits, c'est-à-dire la partie cimentée du puits juste après le forage pour le sécuriser ; le cylindre interne 20 peut être le tubing, de complétion du puits servant à la production ou à l'injection de gaz. 101051 Sur cette figure, la référence T représente le niveau du sol. Ainsi, le puits dispose d'une tête du puits 60 qui est la partie du puits située au-dessus du niveau du sol T. 101061 Un premier fluide est injecté dans la tête de puits par une première entrée. Un deuxième fluide F2 est également injecté dans la tête de puits par une deuxième entrée. L'un de ces deux Fluides FI ou F2 est un gaz, l'autre est un liquide. De préférence, ce liquide est de l'eau ou de la saumure. Le 2al est préférentiellement un gai toxique ou 16 un gaz à effet de serre, tel que CC)", H2S ou dos gaz naturels. [0107] Le fluide 131 circule dans l'espace annulaire compris entre le cylindre externe 10 et le cylindre interne 20 alors que le fluide F2 circule dans in cylindre interne 20. Selon une alternative, l'inverse est possible. [0108] En pied de puits, le cylindre externe 10 peut se prolonger par une partie 50 qui dispose de plusieurs orifices radiaux, sur plusieurs niveaux longitudinaux de manière à ce que le mélange liquide/gaz puisse entrer dans la formation souterraine. [0109] En bas du puits, à l'extrémité basse du cylindre interne 20, un moyen d'obturation 40, constitué par exemple d'un bouchon, aussi appelé « packer est disposé entre le cylindre externe 10 et le cylindre interne 20. Ainsi, le fluide Fl compris dans l'espace annulaire ne peut pas remonter dans le cylindre interne 20. Ti est bloqué dans l'espace annulaire délimité par les deux cylindres 10 et 20 et par le moyen d'obturation 40. [0110] Enfin, le cylindre central 20, comporte plusieurs moyens de passage radial 30 répartis sur le cylindre central 20, Ces moyens de passage radiai permettent à l'un des deux fluides, par exemple au fluide Fi, de traverser radiaicmcnt le cylindre centrai 20 et de se retrouver ainsi clans le volume où initialement n'est contenu que le fluide F2. Ainsi, le mélange entre H et F2 débute des l'entrée radiale de F1, dans le volume de F2 tsur la [Hg 1], il s'agit du volume central contenu dans le cylindre central 20). La cir- culation de F2 se fait selon l'axe longitudinal xx de puits. Ainsi, au début la phase de mélange, les deux fluides ont des directions de déplacement orthogonales, favorisant le mélange liquide/gaz. Puis, les deux fluides se dirigent vers 1.a sortie située en partie basse du puits. Ainsi le mélange diphasique a ensuite une direction d'écoulement sensiblement longitudinale. [0111] La [Hg 2] illustre, de manière schématique et non limitative, l'impact sur la réduction de pression d'injection de gaz en tête de puits grâce au système et au procédé selon l'invention par rapport au système de l'art antérieur. [0112] La [Fig 2] donne l'évolution de la pression P en abscisse en fonction de la profondeur D, représentée en ordonnée, la direction de l'ordonnée allant vers le fond du puits alors que le niveau 0, correspond, au niveau du sol. [0113] La courbe Cl correspond à l'évolution de la pression de gaz en fonction de la profondeur, dans le cas où on ferait une injection directe selon l'art antérieur. La courbe est définie d'une part par la pression existante dans la formation souterraine et l'injectivité de cette dernière et d'autre part par le gradient hydrostatique du gaz. Ce gradient hydrostatique correspond à la pente de la courbe Cl. Pour un gai, ce gradient est faible, la courbe Cl est proche de la verticale. C'est pourquoi la pression d'injection est élevée en tête de puits. [01 14] La pente de la courbe C2 correspond a.0 vradienthydro4tatique de la partie La courbe C2 est beaucoup plus inclinée que la courbe Cl car le gradient hydrostatique du liquide est plus élevé que celui du gaz (du fait de différence des masses volumiques). Ainsi, si on souhaitait injecter un liquide dans le puits, la pression d'injection du liquide en tête serait bien phis faible voire nulle (zone de vide en tète) que la pression d'injection du gaz pour obtenir la même pression en fond de puits. [0115] Dans le cadre du système et du procédé selon l'invention, la [Hg 21 représente sché- matiquement un point d'injection afin de comprendre le fonctionnement du système et du procédé. [0116] La courbe. C2 représente. l'injection de liquide depuis la tete de puits jusqu'au point Le point 1 sera détaillé ultérieurement. [0117] La courbe Cl' représente l'injection de gaz. depuis la tête de puits jusqu'à une altitude de même niveau que le point I (même ordonnée D). La courbe Cl' est sensiblement parallèle à la courbe Cl du fait que le gradient hydrostatique est une caractéristique intrinsèque du gaz, aux variations de densité et pertes de charges près, induites par la réduction de pression. [01 1 Au niveau de l'altitude du point I, un moyen de passage radial est positionné sur le cylindre central afin de faire traverser l'un des fluides par le cylindre central afin d'être mélangé au deuxième fluide. [0119] Lorsque la pression du gaz à l'altitude du point I du point d'injection dépasse la pression du liquide, correspondant à l'abscisse du point I, à la même altitude du point I, le procédé permet le passage du gaz dans le cylindre central pour venir se mélanger au liquide, ce qui est le cas sur la [Fig 2j. Alternativement, le cheminement inverse du liquide vers le gaz est possible. [01201 Après l'introduction du gaz dans la colonne de liquide, le mélange diphasique liquide/gaz se produit. Le gradient hydrostatique de ce mélange est un intermédiaire entre celui du liquide et celui du gaz. Ainsi, la pente de la courbe C3, correspondant au mélange liquide/gaz se produisant à une altitude inférieure au point d'injection, sous à une altitude en dessous du point I, est un intermédiaire entre la pente de C2 et la pente de Cl ou Cl ', sous réserves de conditions hydrodynamiques d'entrainement du gaz par le liquide. l0 2.1 j On observe ainsi qu'en utilisant diphasique, la pression de gaz nécessaire à l'injection en tête de puits, P2, est nettement inférieure à la pression de gaz nécessaire en tête de puits, Pl, par une injection directe du gaz dans le puits. G correspond à. la réduction de cette pression grâce au procédé ou au système selon r-' invention, [0122] La (Mg, 3a] représente un autre mode de réalisation du système et du procédé selon l'invention, de -manière schématique et non limitative. 101231 Dans cette, figure, les références de même désignation que celles de la 11 cor- re sponden t aux mêmes éléments, 18 [0124] Dans cet exemple de réalisation, le , tilde Fl est le gaz et le fluide F2 est le liquide. [0125] Les moyens de passage radial sont ici des assemblages valve/clapet de non-retour 35, qui permettent le passage radiai du gaz, à travers le cylindre central 20 pour rejoindre le volume central, Dans cet assemblage valve/clapet de non-retour 35, une valve s'ouvre lorsque la pression de liquide contenu dans le cylindre interne 20, au niveau de la valve, dépasse un seuil de pression prédéfini. Par exemple, ce seuil de pression correspond à un niveau de liquide dans la colonne de liquide qui se crée dans le cylindre interne 20, Ce seuil de pression sert à s'assurer que le. niveau de liquide est au-dessus du niveau de l'assemblage valve/clapet de non-retour 35, afin d'assurer une injection de gaz dans une colonne pleine de liquide. Ainsi, le mélange gaz/liquide est amélioré. La valve se ferme (ou se referme) lorsque la pression de liquide, au niveau de la valve, est inférieure au seuil de pression prédéfini, [0126] Une fois la valve de l'assemblage valveklapet de. non-retour 35 ouverte, le clapet de non-retour de l'assemblage valve/clapet de non-retour 35 s'ouvre lorsque la pression de gaz existante dépasse la pression de liquide, au niveau du clapet de non-retour. Ainsi, on assure que l'injection de gaz dans le liquide est possible d'une. part, et que l'injection de liquide dans le gaz est rendue difficile. Lorsque la pression de liquide ou du mélange gaz/liquide est supérieure à la pression de gaz, au niveau du clapet de non-retour, le clapet de non-retour se ferme. [0127] De préférence, le clapet de. non-retour et la valve de l'assemblage valve/clapet de non-retour 35 sont sensiblement au même niveau dans le puits. [0128] Dans le système 100 de la [Fig 3a], on observe que seul le deuxième assemblage valve/clapet de non-retour 35, en partant du bas du puits, est ouvert. Les autres assemblages valve/clapet de non-retour 35 sont fermés. Ainsi le gaz ne peut passer qu'à travers le deuxième assemblage valve/ clapet de non-retour en partant du bas du puits. Au-dessus du niveau du deuxième assemblage valve/clapet de non-retour 35, il existe une hauteur dans le cylindre interne 20, où la colonne est remplie seulement de liquide L. Puis au-dessous de cette partie pleine de liquide L, la colonne est remplie d'un mélange en écoulement liquide/gaz LA-G. La partie au-dessus de la partie liquide est une zone de mélange eau et vapeur à la pression de vapeur de l'eau où l'eau chute dans le cylindre centrai jusqu'à atteindre la zone de recompression liquide L puis de mélange liquide/gaz LA-G. [012 La ;Mg 3a1 représente trois assemblages valve -lapet de non-retour 35, correspondant à trois niveaux longitudinalement le long de l'axe xx du puits. Sur les deux niveaux in- férieurs, l'assemblage valve/clapet de non-retour 35 est constitué par plusieurs éléments positionnés radialement autour de la section du cylindre interne 20. De préférence, ces éléments sont espacés radialement régulièrement autour du cylindre interne 20. Par exemple, on peut disposer deux éléments espacés de 180° ou quatre 19 éléments espacés tous les 90". L'espacement radial régulier permet d'améliorer l'injection et le mélange du gaz dans le liquide afin d'obtenir un mélange liquide/gaz LA-G le plus homogène possible. On peut également ajouter des équipements internes spécifiques, par exemple un système convergent/divergent du type de ceux de la demande de brevet J.P2899604, pour faciliter le mélange liquide/gaz ou gaz/liquide. [0130] La [Fig 3h] représente, de manière schématique et non limitative, un élément schématique de l'assemblage valve/clapet de non-retour 35. Cet élément comprend un clapet de non-retour 70. Sur la [Fig 3h], le clapet de non-retour est représenté en position ouverte. Lorsqu'il se ferme, lorsque par exemple, la pression du fluide du gaz est inférieure à la pression de liquide, il vient en appui sur le siège de l'orifice 60. [0131] L'élément comporte aussi une valve 90, représentée en position ouverte sur la figure. Lorsqu'elle se ferme, par exemple lorsque la pression de liquide est inférieure à un seuil de pression prédéfini, la valve 90 vient en appui sur le siège de valve 80. [ 132] La valve 90 et le clapet de non--retour 70 peuvent être sensiblement coaxiaux. Le gaz qui arrive en E, rencontre d'abord le clapet de non-retour 70, puis, lorsque celui-ci s'ouvre, le gaz passe clans la valve 90 pour ressortir en S et rencontrer le liquide. [W 33] La valve 90 est réglée à un seuil de pression prédéfinie par une charge en gaz contenue dans le volume 200. La valve 90 peut être un clapet. [0134] Une chambre intermédiaire 110 peut être à la fois en communication avec le clapet de non-retour 70 et avec la valve 90, Elle peut contenir du Fluide] ou du Fluide2. Le clapet de non-retour 70 est en communication, de l'autre côté, c'est-à-dire au niveau de l'entrée E, avec le volume qui contient le Fluidei. La valve 90 est en communication avec le volume du Fluide2 au niveau de la sortie S. Juste après la sortie S. le Fluide 1, arrivant de l'entrée E, rentre dans la volume du Eluide2, se mélangeant ainsi à lui. [01351 La [Fig 4] représente un synoptique d'un mode de réalisation du procédé selon l'invention, de manière schématique et non limitative. [0136] Sur cette figure, on suppose que le puits dispose de trois assemblages valve/clapet de non-retour, espacés le long de l'axe du puits. Le système utilisé pour ce procédé peut correspondre à celui de la 3a], [0137] La première étape consiste à débuter l'injection de liquide IL dans idre interne, de manière à créer une colonne de liquide dans ce cylindre. L'injection de liquide se poursuit tout au long du procédé, avec éventuellement des interruptions temporaires. [01381 Lorsque la hauteur de liquide dans le cylindre interne est sut lisante, la valve du premier assemblage valve/clapet de non-retour s'ouvre. Il s'agit de l'étape d'ouverture de la valve n"1, en partant du bas du puits, OGL1. (01391 Une rois OGLI établie, l'injection de gaz 101 peut débuter avec un certain débit de gaz. [0140] Lorsque la pression dans l'espace annulconstitué par l'espace entre les 20 cylindres interne et externe, est supérieure à la pression du liquide contenue dans le cylindre interne, l'ouverture du clapet de non-retour n°1, en partant du bas du puits OCNR1 se crée. [01411 L'iMection de gaz. dans le liquide (mélange) comenence et nécessite une aug- mentation du débit, de gaz AFGI L'injection de gaz dans le liquide modifie la niasse volumique du mélange liquide/gaz. En conséquence, la pression au niveau du point d'injection remonte progressivement au fur et à mesure que le gaz allège la colonne du mélange et ainsi le niveau de la colonne de liquide au-dessus du point d'injection remonte.. [0":421 Le niveau de la colonne de liquide dans le cylindre interne se poursuit et lorsque la pression de liquide ou de mélange liquide/gaz au niveau de la valve du deuxième assemblage valve/clapet de non-retour en partant du bas du puits dépasse un seuil de pression, pouvant être égal ou différent au seuil de pression prédéfinie de la première valve en partant du bas du puits, l'ouverture de la deuxième valve O0L2 s'opère. [01431 Puis lorsque la pression du gaz au niveau du deuxième clapet de non-retour en partant du bas du puits est supérieure. à la pression de. liquide (ou de mélange liquide/ gaz), l'ouverture du clapet de non-retour OCNR2 se fait et induit la fermeture du premier clapet de non-retour en partant du bas du puits, ECNR1. [0144] Une nouvelle fois, on augmente l'injection de gaz ATG2. La colonne de mélange liquide/gaz, voit encore sa masse volumique diminuer et ainsi le niveau de la colonne de mélange liquide/gaz, dans le cylindre central., remonte. [0145] Lorsque la pression du mélange liquide/gaz ou du liquide atteint le seuil de pression prédéfinie de la valve n'3, c'est-à-dire la valve la plus haute, la e n'3 s'ouvre. Il s'agit de l'étape 00L3 d'ouverture de la valve n°3. [0145] Lorsque la pression de gaz dépasse la pression à l'intérieur du cylindre interne, au niveau du clapet de non-retour, l'ouverture du clapet de non-retour n°3, c'est-à-dire le clapet de non-retour le plus haut dans le puits, OCNR3 se fait, entraînant la fermeture du clapet de non-retour n°2 FCNR2. [01471 L'injection de gaz dans le puits se poursuit alors ré gime établi le troisième semblame valve/clapet de non-retour. [01481 Les figures 5a à 5d montrent l'évolution des pressions F l'onction de la profondeur D du puits lors de la phase de démarrage d'injection de gaz dans la formation souterraine selon un mode de réalisation du procédé selon l'invention, de manière schématique et non limitative. Le procédé d'injection peut être conforme au synoptique de la 1Fig 41. Sur ces figures, les références identiques correspondent aux mêmes informations et ne seront donc pas nécessaire-tuent réexpliquées sur chaque Figure. De plus, ces figures sont construites de la même manière que lalFig 2]. La I Fig 5a1 correspond à l'injection de liquide seule, Les trois courbes 1, 2 et 3 cor- 21 respondent à trois instants successifs au cours de l'injection de liquide seul depuis la tête de puits. Ainsi, le niveau de liquide évolue de Hl puis F12 puis FI3 en fonction de l'injectivité du puits. On observe que lorsque la colonne atteint le niveau H3, la pression de la courbe n°3, au niveau de la profondeur DV1 correspondant à l'altitude d'implantation du premier assemblage valve/clapet de non-retour dépasse légèrement le seuil de pression prédéfini PV1 de cette première valve. Ainsi, l'ouverture de la valve n'l OGL1 est établie. L'injection de gaz dans l'espace annulaire peut ainsi commencer. [ 150] La [Fig 5h] montre sur la courbe 4 l'injection de gaz. La pente de la courbe 4 est plus droite que celle des courbes 1, 2 et 3 de la [Fig 5a] car le gradient hydrostatique du gaz est nettement plus faible que celui du liquide. [0151] La [Fig 5c] montre l'évolution des courbes après le début de l'injection du gaz dans la colonne de liquide. L'ancienne courbe 3 (en pointillé) est devenue la courbe 5. En effet, lors de l'injection du gaz dans le liquide, la masse volumique du mélange liquide/gaz est comprise entre celle du liquide et celle du gaz. Par conséquent, le gradient hydrostatique du mélange est également compris entre celui du gaz et celui du liquide. Ainsi, la pente de la courbe 5 évolue et l'angle de cette courbe par rapport à l'axe vertical (correspond à !axe de la profondeur D) se trouve entre l'angle de la courbe 4' et celui de la courbe 3. [0152; La courbe 4' est sensiblement parallèle à la courbe 4 mais la pression au niveau du point d'injection ayant augmenté avec l'allègement de la colonne, la pression de l'annulaire gaz est augmentée afin d'assurer le débit d'injection et ainsi la courbe 4' est translatée vers la droite. Ainsi, la pression d'injection en tête de puits est augmentée en con séquence. [0153] Sur cette figure, on observe une cassure au point DV.I. Au-dessous de ce po_ II, la pression suit la courbe 5 et au-dessus. elle suit la courbe 3'. parallèle à la courbe 3. [0154] En effet, lors de l'injection de gaz dans le liquide, la colonne s'allège et ainsi, le niveau de la colonne remonte. [01551 Au-dessus de DV I. la colonne est seulement liquide et ainsi la pression suit l'évolution 3' qui a. sensiblement le même irradient hydrostatique et donc la même pente que la courbe 3. [0156] Au-dessous de ce point DV I, la colonne est un mélange liquide/gaz dont le gradient hydrostatique est une valeur intermédiaire entre le gradient hydrostatique du liquide et celui du gaz. [0157] On observe que la pression dans la colonne (courbe 3' et 5) est légèrement supérieure au seuil de pression PV2 de la deuxième valve en partant du bas, au niveau de l'altitude DV2 de cette deuxième valve ce qui entraîne l'ouverture de la deuxième valve OCIL2, 2 2 [0158] De plus, la pression d'injection de gaz suivant la courbe 4' dépasse la pression du mélange à l'intérieur du cylindre interne définie par les courbes 3' et 5, au niveau de l'altitude DV2 du clapet et de la valve. Ainsi, l'ouverture du clapet CNp22 se produit. L'injection de gaz peut donc se [aire par ce deuxième niveau. [0159] Sur la [Fig 5d], on observe que la pression de gaz, suivant la courbe. 4" devient in- férieure, à la pression interne du cylindre interne, représentée par les courbes 3" et 5", au niveau de l'altitude DV1 du clapet ncl, ce qui entraîne la fermeture de ce clapet de non-retour. [01601 Les étapes des figures 5a à 5d se reproduisent de manière similaire pour les niveaux supérieurs des assemblages valve/clapet de non--retour. De plus, sur ces exemples, le contrôle d'injection de gaz est gérée par le débit d'injection mais il peut, de manière similaire être gérée par la pression du gaz dans l'annulaire. l0161] Un exemple d'application de géothermie est détaillé ici. Pour cet exemple, on applique le principe du système de la [I, ig 3a] avec le liquide, de l'eau, injecté dans le volume central et les gaz sont non condensables, injectés dans le volume annulaire. L'eau provient d'un procédé de. récupération d'énergie provenant d'une vapeur souterraine extraite au moyen de puits producteur. L'eau est ensuite réintroduite dans la formation souterraine, ce qui est notamment nécessaire pour une application de géothermie. Les gaz non condensables issus de la formation souterraine et récupérés avec la vapeur, peuvent être des gaz toxiques ou à effet de. serre. Pour éviter les émissions polluantes, il est intéressant de les réintroduire dans la formation souterraine. [0162] Le procédé selon l'invention permet de limiter la puissance de réinjection des deux fluides en garantissant l'établissement d'un écoulement gaz liquide étendu et stable et donc augmente la performance du système de géothermie (récupération d'énergie et injection des fluides dans la formation souterraine). [01631 Le procédé et le système selon l'invention peuvent aussi être utilisés, de manière non limitative, pour le stockage de CO2 dans un aquifère ou l'injection simultanée de gaz et d'eau pour le maintien en pression des réservoirs pétroliers (récupération assistée). Exemples [01641 Les caractéristiques et avantages du procédé et du systenle selons sortiront de l'exemple ci-dessous. [01651 L'exemple concerne la réinjection combinée de l'eau condensée et des gaz non condensables dont les caractéristiques sont les suivantes [0166] m Le cylindre externe a un diamètre externe de 168.3 mm et une épaisseur de 7.11 mm, atteignant la couverture du réservoir à -2400 ras de profondeur et se prolongeant par une zone en trou ouvert de plusieurs dizaines de mètres. Le cylindre interne a un diamètre externe de 114 3 MM et une épaisseur de 23 6.09 mm. Le. système dispose d'un moyen d'obturation disposé entre le cylindre interne et le cylindre externe, positionné à -2000 m. Ce moyen d'obturation permet d'isoler l'annulaire du cylindre interne, L'injection du gaz de l'annulaire vers l'intérieur du cylindre interne se fait via un orifice à -1300 m, Plusieurs orifices peuvent être installés dans la zone -24.00 à - 1300 pour assurer le démarrage. de l'injection gaz tel que défini dans l'invention, Le débit d'injection nominal est de 20 Icg/s avec 8 %m de gaz non condensables, ce qui donne un débit normal d'eau de 18.4 kg,/s et un débit de gaz non condensables de 1.6 kg/s. La pression de la formation souterraine est de 65 bar avec une inje tivité de 1 kg/s/har soit une augmentation de pression fond de puits de 20 bar au débit nominal. La température d'injection des deux fluides en tête de puits est de 80 T. [0167] Le mode de réalisation correspond à celui de la [Fig 34, [0168] Ces conditions de réinjection de gaz, selon l'invention, sont comparés à un cas de l'art antérieur oit le liquide et le gaz, seraient mélangés seulement au fond du puits, juste avant d'être introduits dans la formation souterraine, les autres paramètres sont identiques. [0169] La [Fig 6] illustre les résultats des évolutions de pressions de cette étude com- parative. Le graphique de la [Fig 6] illustre les évolutions de pressions P, en abscisse, en fonction de la profondeur D considérée sur le puits, en ordonnée. La courbe 500 en pointillé représente l'évolution (le la pression (le gaz selon le procédé de l'art antérieur. La courbe 600 représente l'évolution de la pression de gaz selon le procédé de l' invention. [0170] La pression en gaz requise ezt fond de puits BI-W est de 85 bar au débit nominal d'injection. [01711 Selon le pros t selon l'art antérieur, la pression de gaz nécessaire en tête de puits pour la réinjection de gaz directe G 1 est de 60,5 bar (courbe 500 sur la I Fi2", 61). Cette configuration du puits consomme de l'énergie pour la compression du gaz en surrace et nécessite des moyens de compression onéreux et volumineux. [0l 72.1 Selon le procédé selon l'invention, une zone de mélange gaz liquide est forcée dans le cylindre interne sur 1100 m avec une recornpression hydrostatique sécurisée car les conditions de vitesse sont favorables à l'entrainement du gaz par la phase liquide (vitesses superficielles gaz et liquides supérieures à 1 m/s). La pression de gaz nécessaire en tête de puits G2 est alors réduite à 3L5 bar (courbe 600 de la [Fig 61). [Di 73] Le procédé selon l'invention permet donc de réduire notablement la pression requise en tête de puits, tout en sécurisant la zone de recompression hydrostatique dans le cylindre interne. Les longueurs de cylindre interne, fa position des points d'injection et leur nombre peuvent être optimisés en fonction des caractéristiques du site de ré-injection et des débits de reinjection souhaités. 25 [Revendication 1] [Revendication 2] Revendication 3] [Revendication ,i1] [Revendication 5]