INPI-France/Brevets-Francais-2024-Chunked huggingface dataset:
Plus spécifiquement, comme le montre la , le nouvel outil 100 (également appelé dans les présentes « outil de puits » ou « outil coaxial » ou « outil d’extraction de chaleur ») comporte un tuyau interne 110, un tuyau externe 120 concentrique du tuyau interne 110, et un sabot d'extrémité 130. Le tuyau externe 120 est raccordé au sabot 130 par un premier raccord souple 140, tandis que le tuyau interne 110 est raccordé au sabot 130 par un deuxième raccord souple 141. Un raccord souple 140 ou 141 est tout raccord entre deux éléments différents qui permet à un des éléments ou aux deux de se dilater pour des raisons thermiques tout en conservant l’intégrité de la circulation de fluide à travers le raccord, c.-à-d. ne laissant pas fuir le fluide. Un exemple d’un tel raccord souple a été introduit dans [6] et [7], et est illustré dans les et 2B (qui correspondent aux figures 3A et 3B de [6]). Le raccord souple 140/141 permet aux deux éléments raccordés (par exemple, 110 et 130, ou 120 et 130) de réaliser un raccordement fluidique qui peut se dilater quand la température augmente, sans gauchissement ni fuite de fluide à l’intérieur. Plus spécifiquement, les et 2B montrent le raccord souple 140/141 ayant un corps principal tubulaire creux 201 ayant une première ouverture de manchon tubulaire 202 attachée au tubage externe 120 et une deuxième ouverture de manchon tubulaire 203 attachée à un bord ou un écoulement du sabot d’extrémité 130. Les figures expliquent la façon dont le raccord peut absorber la dilatation thermique due à un changement de température quand des milieux à haute température commencent à circuler à travers l’outil 100 et la contraction quand le puits doit être refroidi.
Plus spécifiquement, un espacement circonférentiel s’étendant axialement et tourné vers l’intérieur 221 est créé par un bord supérieur s’étendant vers l’intérieur 211 à proximité de la première ouverture de manchon tubulaire 202 et un bord central s’étendant vers l’intérieur 213. Un élément tubulaire interne 207 est prévu, lequel s’étend radialement à l’intérieur de l’espacement 221. L’élément tubulaire interne a une première zone d’enclenchement circonférentielle destinée à s’enclencher avec une zone d’enclenchement complémentaire d’une extrémité du tuyau externe 120 et une deuxième zone d’enclenchement circonférentielle à proximité de la deuxième ouverture de manchon tubulaire 203 destinée à s’enclencher avec une zone d’enclenchement complémentaire de l’extrémité du sabot 130. Les figures montrent que l’élément tubulaire interne 207 est plus court dans la direction axiale que l’espacement circonférentiel tourné vers l’intérieur 221 et par conséquent est réversible et peut glisser à l’intérieur de l’espacement circonférentiel tourné vers l’intérieur 221 entre le bord supérieur s’étendant vers l’intérieur 211 et le bord central s’étendant vers l’intérieur 213. L’élément tubulaire interne 207 peut glisser librement dans une direction axiale à l’intérieur de l’espacement 221.
Les figures montrent également que le tuyau externe 120 a une zone de fixation circonférentielle 208 destinée à se fixer au raccord 140. Dans un mode de réalisation, la zone de fixation 208 comporte des filets. L’ouverture de manchon tubulaire inférieure 203 comporte un élément de support externe 209 qui a une zone de fixation circonférentielle 210 (par exemple, des filets) destinée à fixer le sabot 130 au raccord 140. L’élément de support externe 206 de l’ouverture de manchon tubulaire supérieure 202 a un bord supérieur s’étendant vers l’intérieur 211 qui s’étend vers l’intérieur sur l’équivalent de l’épaisseur de l’ouverture supérieure de l’élément tubulaire interne 207. De plus, l’élément de support interne 207 de l’ouverture de manchon tubulaire supérieure 202 a un bord inférieur s’étendant vers l’intérieur 212 qui s’étend vers l’intérieur sur l’équivalent de l’épaisseur de l’ouverture inférieure du tuyau externe 120. D’autres types de raccords souples 140 peuvent être employés. Bien que les et 2B décrivent un raccordement souple possible entre le tuyau externe 120 et le sabot 130, le même raccordement souple peut être réalisé entre le tuyau interne 110 et le sabot 130.
On notera que pour réaliser le raccordement avec le tuyau externe 120, dans un mode de réalisation, le sabot 130 a des filets 210 sur une surface externe 132, à côté de la surface supérieure 136, comme le montrent les et 3B. Pour réaliser le raccordement avec le tuyau interne 110, dans le mode de réalisation de la , le sabot 130 comporte également un élément faisant crépine 150, qui est fabriqué d’une seule pièce avec le corps 131 du sabot. L’élément faisant crépine 150 est façonné comme un manchon avec un alésage interne, et les parois latérales du manchon ont une pluralité de trous 152. On notera qu’un diamètre de l’élément faisant crépine est inférieur à un diamètre extérieur du corps 131 au niveau de la surface supérieure 136 pour tenir compte de l’anneau 112. Pour réaliser le raccordement avec le tuyau interne dans le mode de réalisation de la , le sabot 130 présente un épaulement 134, qui fait saillie depuis la surface supérieure 136 du sabot, et les filets 210 sont formés sur la surface latérale 134A de l’épaulement 134 pour s’enclencher directement avec le tuyau interne. L’homme du métier comprendra que cette mise en œuvre est l’une des multiples mises en œuvre possibles pour le raccord souple 140.
Retournons à la , où le tuyau interne 110 peut être raccordé avec encore un autre raccord souple 141 à l’élément faisant crépine 150, lorsqu’il est présent. Comme exposé plus loin, il existe des modes de réalisation où l’élément faisant crépine 150 est omis. L’élément faisant crépine 150 peut être un tuyau ayant le même diamètre intérieur et/ou extérieur que le tuyau interne 110, ainsi qu’une pluralité de trous 152 pour permettre à un fluide 154 de quitter un anneau 112 formé par la surface externe du tuyau interne 110 et la surface interne du tuyau externe 120, et pénétrer dans l’alésage 114 du tuyau interne 110. De cette façon, le fluide 154 peut être pompé depuis la surface à l’intérieur de l’anneau 112, mis en contact direct avec le sabot 130, puis retourné à la surface par l’alésage 114, tout en transportant la chaleur transférée depuis le sabot. Ainsi, une boucle ou un chemin 156 est formé depuis le sommet de l’anneau 112 jusqu’au sabot 130 et ensuite jusqu’au sommet de l’alésage 114. Dans une application, le sens du chemin 156 peut être inversé, comme l’illustre schématiquement la figure, autrement dit le fluide pénètre d’abord dans l’alésage 114, traverse les trous 152, et pénètre ensuite dans l’anneau 112 avant de retourner à la surface. On notera qu’un sommet 158 de l’outil 100 correspond à la partie de l’outil qui est configurée pour être attachée à un élément de tubage avant d’être abaissée à l’intérieur du puits ou entraînée à l’intérieur du sol. Cela signifie que la partie supérieure 158 de l’outil 100 peut avoir des filets 159 pour être attachée à l’élément de tubage. Ainsi, le tuyau interne 110 et le tuyau externe 120 sont configurés pour former une boucle ininterrompue 156 pour le fluide 154 entre un sommet de l’anneau 112 et un sommet de l’alésage 114 tout en permettant également au fluide 154 d’entrer en contact direct avec le sabot 130.
Dans le mode de réalisation montré sur la , le sabot est fabriqué pour être plein, autrement dit son corps 131 n’a ni trous, ni canaux, à l’exception de l’élément faisant crépine 150, qui a les trous 152. Il peut être constitué d’une seule pièce de matière, autrement dit le corps 131 et l’élément faisant crépine 150 sont formés d’une seule pièce. Le sabot (qui doit être compris comme étant le corps et l’élément faisant crépine, lorsqu’il est présent) est également constitué d’un métal ou d’un alliage qui peut supporter les températures élevées (par ex., entre 500 et 1200 °C) et/ou les hautes pressions, par exemple jusqu’à 20 MPa. Dans une application, le sabot est constitué de tungstène ou de titane. Dans une autre application, pour laquelle il est important que le prix du sabot soit aussi bas que possible, un alliage avec de grandes qualités peut être utilisé. Par exemple, les aciers inoxydables sont les premiers auxquels on pense, car ils offrent un bon équilibre entre le prix et la résistance aux environnements extrêmes, en particulier les alliages généralement employés pour les réacteurs thermiques et pour les chambres de combustion, qui ont une plus grande résistance à la traction à haute température. Certains exemples de ces alliages sont illustrés dans le tableau de la . Les alliages comportant du chrome, de l’aluminium et du titane offrent une bonne résistance aux conditions extrêmes (déformation et mécanisme de corrosion à haute température). On notera que lorsque la qualité de l’alliage augmente, son coût augmente.
Dans un autre mode de réalisation, tel qu’illustré sur la , l’élément faisant crépine 150 peut être omis (autrement dit, la configuration du sabot 130 représentée sur la est utilisée) et les trous 152 peuvent être directement ménagés dans la partie inférieure du tuyau interne 110. Dans ce cas, les raccords souples 141 entre le tuyau interne et l’élément faisant crépine ne sont pas non plus présents, car le tuyau interne se couple directement à l’épaulement 134 du sabot 130, avec les raccords souples 141 montrés sur la figure.
Dans encore un autre mode de réalisation, tel qu’illustré sur la , le tuyau interne 110 est solidement attaché au tuyau externe 120 par un ou plusieurs ergots 610. Dans ce cas, l’extrémité inférieure 110A du tuyau interne 110 est située au-dessus du sabot 130, de sorte qu’un chemin libre 156 se libère pour le fluide 154 depuis l’anneau 112 jusqu’à l’alésage 114. En d’autres termes, il n’y a pas d’élément faisant crépine 150 ni de trous 152 associés au sabot 130 ou au tuyau interne 110 dans ce mode de réalisation. Les ergots 610 peuvent aussi être utilisés dans les modes de réalisation précédents, c.-à-d. pour fixer le tuyau interne par rapport au tuyau externe. Cependant, dans les modes de réalisation précédents, il est également possible que le tuyau interne soit indépendant du tuyau externe, autrement dit qu’ils ne se touchent pas par l’intermédiaire d’un quelconque composant, excepté l’élément faisant crépine et/ou le sabot.
Dans encore un autre mode de réalisation, tel qu’illustré sur la , le tuyau interne 110 se raccorde directement au sabot 130, par exemple par l’intermédiaire des raccords souples 141, et aucun trou 152 n’est présent dans le tuyau interne, ni aucun élément faisant crépine. Pour ce mode de réalisation, la configuration du sabot 130 présentée sur la est utilisée. Ainsi, pour ce mode de réalisation, il n’y a pas de circulation directe de fluide depuis l’anneau 112 jusqu’à l’alésage 114. Dans ce cas, une pluralité de canaux 710 sont formés à travers le corps du sabot 130, lesquels raccordent fluidiquement l’anneau 112 à l’alésage 114, de sorte que le flux de fluide 154 passe toujours de l’anneau à l’alésage, mais par l’intermédiaire du corps du sabot. Dans cette situation, le fluide devrait retirer plus de chaleur du corps du sabot, car le fluide pénètre effectivement à l’intérieur du sabot. Bien que tous les modes de réalisation précédents montrent un raccordement souple 140/141 entre les tuyaux interne et externe et le sabot d’extrémité, l’homme du métier comprendra qu’un raccordement non souple peut aussi être utilisé, même s’il y a des fuites de fluide. On notera que pour tous les modes de réalisation précédents, le sabot comporte uniquement un corps plein sans aucun autre composant, c.-à-d. aucun trou, canal, vanne, etc., à l’intérieur du corps 131, seul le mode de réalisation de la présentant une structure supplémentaire, à savoir les canaux 710.
En ce qui concerne la forme du sabot 130, les modes de réalisation précédents l’ont illustré sous la forme d’une balle, par exemple avec le plus grand diamètre extérieur correspondant au diamètre extérieur du tuyau externe, puis le corps ayant un sommet 138, comme le montre la . La longueur du corps (c.-à-d. depuis l’épaulement 134 jusqu’au sommet 138) peut être sélectionnée en fonction de la largeur du SHR à explorer. Dans une application, pour le mode de réalisation présenté sur la , la longueur de l’élément faisant crépine 150 est sélectionnée pour dépendre du diamètre du puits dans lequel l’outil 100 est placé.
Dans une application, comme le montre la (on notera que les à 8C omettent l’élément faisant crépine pour simplifier), le corps 131 du sabot 130 présente une hélice 133 s’étendant sur une longueur du sabot. L’hélice peut être ajoutée ou formée à l’intérieur du corps 131 pour favoriser l’avance du sabot à l’intérieur du sous-sol quand un puits n’est pas préalablement foré pour abaisser l’outil 100. On notera que l’outil 100 peut être abaissé à l’intérieur d’un puits préalablement foré ou peut être entraîné dans le sol, si le sous-sol est mou. La montre un autre mode de réalisation dans lequel la forme du sabot 130 est un cône plat. La montre encore un autre mode de réalisation dans lequel la forme du sabot 130 est cylindrique 810, avec des extrémités de forme pointue 812, par exemple un cône. L’homme du métier comprendra que d’autres formes peuvent être utilisées.
Quand on souhaite utiliser l’outil 100 (comme l’illustrent les à 9C), diverses données (par ex., étude sismique, ou informations acquises pendant le forage du puits, etc.) sont collectées à l’étape 1000 (voir le schéma fonctionnel de la ) avant l’abaissement (ou l’entraînement) de l’outil dans le sol. Sur la base de ces informations, un contour supérieur du SHR est déterminé. À l’étape 1002, un puits 902 est foré pour atteindre le sommet du SHR comme le montre la , puis, à l’étape 1004, l’outil 100 est abaissé (ou entraîné si aucun puits n’est préalablement foré) dans le puits 902 jusqu’à ce que le sabot 130 soit en contact direct avec le SHR. Dans ce mode de réalisation, seul le sabot est en contact direct avec le SHR, pas les tuyaux interne et externe, comme l’illustre la . Cela rend le système 900 plus résistant à un endommagement potentiel dû aux températures extrêmement élevées et aux processus de corrosion apparaissant dans les fluides à haute température. Le sabot 130 est conçu pour résister aux déformations thermomécaniques dues aux contraintes thermiques, et aux mouvements du sol pendant le processus d’extraction de chaleur. Comme exposé précédemment, le sabot peut être constitué d’alliages qui résistent à une température élevée (jusqu’à 1000 °C), des environnements corrosifs, une contrainte thermique, une explosion, et avec une conductivité thermique suffisante aux températures rencontrées. À très haute température, la stabilité thermique est le premier facteur pris en compte, car elle peut imposer des limites à un type particulier d’alliage du point de vue du ramollissement ou de la fragilisation, et des changements dans les propriétés thermiques telles que la conductivité thermique avec une variation de température. On notera que le sabot peut absorber de grosses déformations, car il ne s’agit pas d’un élément de support pour l’outil 100, mais seulement d’un élément de transfert de chaleur. En d’autres termes, l’outil 100 est supporté à l’intérieur du puits 902 par un tubage correspondant 910, qui peut comporter une pluralité d’éléments de tubage raccordés les uns aux autres, comme l’illustre la . Un élément de tubage peut avoir une longueur d’environ 12 m. L’outil 100 peut avoir une longueur similaire ou inférieure. La pluralité d’éléments de tubage peuvent être raccordés les uns aux autres par des filets, comme on le sait dans le métier. L’outil 100 peut être raccordé par des filets à l’extrémité inférieure du dernier élément de tubage.
La forte conductivité thermique des alliages à haute température permet le transfert de chaleur du sabot métallique 130 aux tuyaux coaxiaux 110/120. Des simulations numériques thermohydrauliques sont lancées pour optimiser la conception de l’outil et du puits correspondant (longueur et diamètre du sabot, diamètre du puits, nombre et position des systèmes de puits coaxiaux avec sabot).
La montre un tubage de surface 904 et un tubage sacrificiel 906 installés dans le puits 902 foré avec un train de tiges de forage 908. On notera que les deux tubages sont installés au-dessus du SHR. Le train de tiges de forage 908 peut avoir une pointe de forage 909 pour forer le puits 902. Une table tournante 912 installée à la surface du puits est utilisée pour entraîner la pointe de forage. Quand le puits est prêt, la pointe de forage 909 et le train de tiges de forage 908 sont retirés et l’outil 100 est abaissé dans le puits, comme le montre la . Pour aligner l’outil 100 avec l’axe longitudinal du puits 902, un centreur 914 peut être installé sur l’outil 100, comme le montre la figure. Dans un mode de réalisation, pour empêcher le fluide provenant du SHR de pénétrer dans le tubage 906, une garniture d’étanchéité 916 peut être installée, par exemple juste au-dessus du sabot 130, comme le montre la . Pour des raisons de sécurité, pour empêcher la libération violente du fluide depuis le puits 902 ou le tubage 910 à la surface, un obturateur de puits 918 peut être installé sur la tête du puits. Un obturateur de puits 918 est essentiellement une vanne puissante qui est configurée pour fermer (sceller) le puits si la pression à l’intérieur du puits devient supérieure à une pression donnée. Dans une application, l’anneau entre le tubage sacrificiel 906 et l’outil coaxial 100 est rempli par un gel visqueux adapté qui garantit l’isolation thermique de l’outil d’extraction de chaleur, tout en limitant les contraintes thermiques sur le tubage sacrificiel et son ciment.
Après que la chaleur issue du SHR a été extraite à l’étape 1006, ce qui peut prendre des mois si ce n’est des années, le tubage 910 et l’outil associé 100 sont retirés du puits à l’étape 1008, et le puits 902 est scellé avec des bouchons de ciment 920 à l’étape 1010, comme l’illustre la . De cette façon, il y a peu de risque qu’un fluide quel qu’il soit provenant du puits puisse s’échapper à la surface une fois le puits abandonné. Un abandon se produirait si, après un certain laps de temps fonction de l’origine du SHR, la chaleur au niveau du sabot n’était plus suffisante pour être extraite de façon économique, et l’outil coaxial avec le sabot pourrait être retiré si une telle conception avait été choisie. Une conception avec abandon prendrait en compte la durée effective prédite de la source de chaleur, qui pourrait être la combustion de charbon ou de tourbe, une gazéification souterraine de charbon, ou un mince dyke ou filon magmatique.
Une mise en œuvre intelligente et sûre de cette technologie peut être assortie de procédés de surveillance, par exemple se concentrant particulièrement sur la température, la pression, et le comportement mécanique de l’outil et de la masse rocheuse hôte. Une surveillance spécifique supplémentaire peut s’avérer nécessaire en fonction de la nature du SHR. Par exemple, des systèmes de détection acoustique distribuée (DAS) 903, cimentés derrière le tubage sacrificiel 906, permettraient la surveillance de la température et de la pression à l’interface entre la masse rocheuse et l’outil, tandis que des fibres de DAS insérées dans l’outil coaxial 100 et fixées au tube interne ou externe donneraient l’évolution de la température et de la pression avec la profondeur dans la boucle coaxiale. Dans une application, un réseau de capteurs sismiques 930, à la surface (ou enterré dans des environnements bruyants), comme l’illustre schématiquement la , offre un système supplémentaire pour détecter et localiser la création ou le cisaillement potentiels de failles et de fractures dues à des contraintes thermiques induites. Ce réseau peut également être utilisé pour déterminer l’emplacement du SHR et pour garantir que seul le sabot 130 pénètre dans le SHR, pas les tuyaux interne et externe.
Chacune des métasurfaces MS1, MS2 est constituée d’un réseau bidimensionnel de plots 109 1 , respectivement 109 2 d’un premier matériau, entourés latéralement par un matériau de remplissage 111 1 , respectivement 111 2 . Les plots 109 1 et/ou 109 2 sont par exemple en un matériau opaque au rayonnement à mesurer, par exemple un métal. A titre de variante, les plots 109 1 et/ou 109 2 sont en un matériau transparent ou partiellement transparent au rayonnement à mesurer, par exemple du silicium amorphe ou du nitrure de silicium. Les matériaux de remplissage 111 1 et/ou 111 2 sont par exemple des matériaux transparents, par exemple des matériaux transparents d’indice de réfraction inférieur à celui du matériau des plots 109 1 , respectivement 109 2 . Les matériaux de remplissage 111 1 et/ou 111 2 sont par exemple de l’oxyde de silicium. A titre de variante, les matériaux de remplissage 111 1 et/ou 111 2 sont gazeux, par exemple de l’air, ou du vide. Les plots 109 1 et 109 2 des métasurfaces MS1 et MS2 peuvent être en le même matériau, ou en des matériaux différents. De façon similaire, les matériaux de remplissages 111 1 et 111 2 des métasurfaces MS1 et MS2 peuvent être identiques, ou différents.
Dans cet exemple, les plots 109 1 de la métasurface MS1 ont tous la même hauteur, et les plots 109 2 de la métasurface MS2 ont tous la même hauteur, égale à la hauteur des plots 109 1 ou différente de la hauteur des plot 109 1 .
Dans l’exemple de la , la métasurface inférieure MS1 est séparée de la face supérieure de la couche 107 par une couche transparente 113, par exemple en le même matériau que le matériau de remplissage de la métasurface MS1. La couche 113 a une fonction d’espaceur optique. L’épaisseur de la couche 113 est choisie en fonction de la fonction optique réalisée par la métasurface MS1 et/ou par la métasurface MS2, pour obtenir l’effet recherché de focalisation des rayons lumineux dans ou sur les photodétecteurs 103 des pixels. A titre d’exemple, l’épaisseur de la couche 113 est inférieure à 100 µm, de préférence inférieure à 10 µm, de préférence comprise entre 1 et 10 µm, par exemple de l’ordre de 4 µm. A titre d’exemple, les plots 1091 de la métasurface MS1 sont en contact, par leur face inférieure, avec la face supérieure de la couche 113. La couche 113 est par exemple en contact, par sa face inférieure, avec la face supérieure de la couche 107.
Dans l’exemple de la , la métasurface inférieure MS1 est séparée de la métasurface supérieure MS2 par une couche transparente 115, par exemple en le même matériau que le matériau de remplissage de la métasurface MS1 ou en le même matériau que le matériau de remplissage de la métasurface MS2. La couche 115 a une fonction d’espaceur optique. L’épaisseur de la couche 115 est choisie en fonction de la fonction optique réalisée par la métasurface MS1 et/ou par la métasurface MS2, pour obtenir l’effet recherché de routage des rayons lumineux, en fonction de leur état de polarisation, dans ou sur les photodétecteurs 103 des pixels. A titre d’exemple, l’épaisseur de la couche 115 est inférieure à 100 µm, de préférence inférieure à 10 µm, de préférence comprise entre 1 et 10 µm, par exemple de l’ordre de 4 µm. A titre d’exemple, les plots 1091 de la métasurface MS1 sont en contact, par leur face supérieure, avec la face inférieure de la couche 115. Les plots 1092 de la métasurface MS2 sont par exemple en contact, par leur face inférieure, avec la face supérieure de la couche 115.
Dans l’exemple représenté, le capteur comprend en outre une couche transparente 117, par exemple en le même matériau que le matériau de remplissage de la métasurface MS2, recouvrant la face supérieure de la métasurface MS2. La couche 117 est par exemple en contact, par sa face inférieure, avec la face supérieure des plots 109 2 de la métasurface MS2. La couche 117 a par exemple une fonction de protection de la métasurface MS2.
Le capteur 100 de l’exemple des figures 1A et 1B est un capteur monochromatique, c’est à dire que les photodétecteurs 103 de tous les tous les pixels P du capteur 100 sont configurés pour mesurer des rayonnements lumineux dans une même gamme de longueurs d’ondes.
La et la sont respectivement une vue en perspective éclatée et une vue en coupe illustrant de façon schématique et partielle un exemple d’un capteur d’images 200 selon un mode de réalisation.