INPI-France/Brevets-Francais-2024-Chunked huggingface dataset:
Retournons à la , où le tuyau interne 510 peut être raccordé avec encore un autre raccord souple 541 à l’élément faisant crépine 550, lorsqu’il est présent. Comme exposé plus loin, il existe des modes de réalisation où l’élément faisant crépine 550 est omis. L’élément faisant crépine 550 peut être un tuyau ayant le même diamètre interne et/ou externe que le tuyau interne 510, ainsi qu’une pluralité de trous 552 pour permettre à un fluide 554 de quitter un anneau 512 formé par la surface externe du tuyau interne 510 et la surface interne du tuyau externe 520, et pénétrer dans l’alésage 514 du tuyau interne 510. De cette façon, le fluide 554 peut être pompé depuis la surface à l’intérieur de l’anneau 512, mis en contact direct avec le sabot 530, puis retourné à la surface par l’alésage 514, tout en transportant la chaleur transférée depuis le sabot. Ainsi, une boucle ou un chemin 556 est formé depuis le sommet de l’anneau 512 jusqu’au sabot 530 et ensuite jusqu’au sommet de l’alésage 514. Dans certaines circonstances, le sens de circulation le long de la boucle ou du chemin peut être l’inverse de celui indiqué sur la . On notera qu’un sommet 558 de l’outil 420 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 558 de l’outil 420 peut avoir des filets 559 pour être attachée à l’élément de tubage. Ainsi, le tuyau interne 510 et le tuyau externe 520 sont configurés pour former une boucle ininterrompue 556 pour le fluide 554 entre un sommet de l’anneau 512 et un sommet de l’alésage 514 tout en permettant également au fluide 554 d’entrer en contact direct avec le sabot 530.
Dans le mode de réalisation montré sur la , le sabot est fabriqué pour être plein, autrement dit son corps 531 n’a ni trous, ni canaux, à l’exception de l’élément faisant crépine 550, qui a les trous 552. Le corps et la crépine peuvent être constitués d’une seule pièce de matière. Le sabot est 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. 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 550 peut être omis (autrement dit, la configuration du sabot 530 représentée sur la est utilisée) et les trous 552 peuvent être directement ménagés dans la partie inférieure du tuyau interne 510. Dans ce cas, le raccord souple 541 entre le tuyau interne et l’élément faisant crépine n’est pas présent, car le tuyau interne se couple directement au sabot 530, avec le raccord souple 541 montré sur la figure.
Dans encore un autre mode de réalisation, tel qu’illustré sur la , le tuyau interne 510 est solidement attaché au tuyau externe 520 par un ou plusieurs ergots 810. Dans ce cas, l’extrémité inférieure 510A du tuyau interne 510 est située au-dessus du sabot 530, de sorte qu’un chemin libre 556 se libère pour le fluide 554 depuis l’anneau 512 jusqu’à l’alésage 514. En d’autres termes, il n’y a pas d’élément faisant crépine 550 ni de trous 552 associés au sabot 530 dans ce mode de réalisation. Les ergots 810 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 510 se raccorde directement au sabot 530, par exemple par l’intermédiaire du raccord souple 541, et aucun trou 552 n’est présent dans le tuyau interne. Pour ce mode de réalisation, la configuration du sabot 530 présentée sur la est utilisée. Ainsi, pour ce mode de réalisation, il n’y a pas de circulation directe de fluide depuis l’anneau 512 jusqu’à l’alésage 514. Dans ce cas, une pluralité de canaux 910 sont formés à travers le corps du sabot 530, lesquels raccordent fluidiquement l’anneau 512 à l’alésage 514, de sorte que le flux de fluide 556 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 540/541 entre les tuyaux interne et externe et le sabot d'extrémité, l’homme du métier comprendra que des raccordements non souples peuvent aussi être utilisés, 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. Seul le mode de réalisation de la présente une structure supplémentaire, à savoir les canaux 910.
En ce qui concerne la forme du sabot 530, 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 538, comme le montre la . La longueur du corps (c.-à-d. depuis l’épaulement 534 jusqu’au sommet 538) peut être sélectionnée en fonction de la largeur du gisement à explorer. Dans une application, pour le mode de réalisation présenté sur la , la longueur de l’élément faisant crépine 550 est sélectionnée pour dépendre du diamètre du puits dans lequel l’outil 420 est placé.
Dans une application, comme le montre la , le corps 531 du sabot 530 présente une hélice 533 s’étendant sur une longueur du sabot. L’hélice peut être ajoutée ou formée à l’intérieur du corps 531 pour favoriser l’avance du sabot à l’intérieur du sous-sol quand un puits n’est pas préalablement foré pour abaisser l’outil 420. On notera que l’outil 420 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 530 est un cône plat. La montre encore un autre mode de réalisation dans lequel la forme du sabot 530 est cylindrique 1010, avec des extrémités de forme pointue 1012, par exemple un cône. L’homme du métier comprendra que d’autres formes peuvent être utilisées.
Quand on souhaite utiliser l’outil 420 (comme l’illustrent les à 11C), diverses données (par ex., étude sismique, ou informations acquises pendant le forage du puits, etc.) sont collectées à l’étape 1200 (voir le schéma fonctionnel de la ) avant l’abaissement (ou l’entraînement) de l’outil dans le sol. On notera que les à 12 présentent la façon d’utiliser un outil individuel 420, mais les mêmes procédures peuvent être employées pour les autres outils 420 montrés sur la . Sur la base de ces informations collectées, un contour supérieur de la veine de charbon 401 est déterminé. À l’étape 1202, un puits 1102 est foré pour atteindre le sommet de la veine de charbon comme le montre la , puis, à l’étape 1204, l’outil 420 est abaissé (ou entraîné si aucun puits n’est préalablement foré) dans le puits 1102 jusqu’à ce que le sabot 530 soit en contact direct avec la veine de charbon. Dans ce mode de réalisation, seul le sabot est en contact direct avec la veine de charbon, pas les tuyaux interne et externe, comme l’illustre la . Cela rend le système plus résistant à un endommagement potentiel dû aux températures ultra-hautes et aux processus de corrosion apparaissant dans les fluides à haute température. Le sabot 530 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 420, mais seulement d’un élément de transfert de chaleur. En d’autres termes, l’outil 420 est supporté à l’intérieur du puits 1102 par un tubage correspondant 1110, 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 420 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 420 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 530 aux tuyaux coaxiaux 510/520. 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 1104 et un tubage sacrificiel 1106 installés dans le puits 1102, qui est foré avec un train de tiges de forage 1108. On notera que les deux tubages sont installés au-dessus de la veine de charbon. Le train de tiges de forage 1108 peut avoir une pointe de forage 1109 pour forer le puits 1102. Une table tournante 1112 installée à la surface du puits est utilisée pour entraîner la pointe de forage. Quand le puits est prêt, la pointe de forage 1109 et le train de tiges de forage 1108 sont retirés et l’outil 420 est abaissé dans le puits, comme le montre la . Pour aligner l’outil 420 avec l’axe longitudinal du puits 1102, un centreur 1114 peut être installé sur l’outil 420, comme le montre la figure. Dans un mode de réalisation, pour empêcher le fluide provenant de la veine de charbon de pénétrer dans le tubage 1106, une garniture d’étanchéité 1116 peut être installée, par exemple juste au-dessus du sabot 530, comme le montre la . Pour des raisons de sécurité, pour empêcher la libération violente du fluide depuis le puits 1102 ou le tubage 1110 à la surface, un obturateur de puits 1118 peut être installé sur la tête du puits. Un obturateur de puits 1118 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 1106 et l’outil coaxial 420 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 de la veine de charbon a été extraite à l’étape 1206, ce qui peut prendre des mois si ce n’est des années, juste avant de retirer le tubage 1110 et l’outil associé 420 du puits à l’étape 1208, il est possible de stocker du CO 2 dans la cavité 405, puis le puits 1102 est scellé avec des bouchons de ciment 1120 à l’étape 1210, 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 de la chaleur ultra-haute, 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 de la veine de charbon ou de l’UCG. Par exemple, des systèmes de détection acoustique distribuée (DAS) 1103, cimentés derrière le tubage sacrificiel 1106, 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 420 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 1130, 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 de la veine de charbon et pour garantir que seul le sabot 530 pénètre dans la veine de charbon, pas les tuyaux interne et externe.
En utilisant la nouvelle combinaison de technologies décrite dans les présentes, il est possible de collecter d’importantes quantités d’hydrogène à partir du gaz de synthèse 407, et la chaleur générée par oxydation souterraine de charbon, sans libérer d’émissions nocives dans l’atmosphère. Cela ouvre la porte à une utilisation plus verte des abondantes ressources mondiales de charbon. Les technologies décrites dans les présentes peuvent être configurées pour optimiser la capture de la chaleur générée, puis reçue dans la roche ou dans les fluides, pendant l’oxydation de charbon dans le sous-sol, par exemple par détermination du nombre de puits 1102 nécessaires pour une veine de charbon donnée 401, et aussi de la distribution des puits, et implicitement des outils 420, au-dessus de la veine de charbon 401. La quantité de chaleur capturée permet de délivrer toute l’électricité nécessaire pour répondre aux besoins opérationnels sur site, y compris le forage, le pompage, les mesures, la surveillance et la validation, plus le traitement de l’hydrogène. Cela signifie que ces technologies peuvent être appliquées de façon autonome, et qu’il n’y a pas d’usage parasite d’hydrogène pour des besoins énergétiques sur site. L’électricité en excès peut être utilisée localement pour l’activité industrielle ou fournie au réseau.
La livraison d’hydrogène peut être optimisée pour les conditions du marché local, par exemple il peut être livré par pipeline, comprimé et refroidi pour être exporté sous forme liquide, transformé en ammoniac pour être exporté comme combustible ou engrais. Un ou plusieurs avantages d’un ou plusieurs modes de réalisation décrits dans les présentes pour les industries qui brûlent actuellement du charbon sont que ces installations existantes n’ont pas besoin d’être fermées, puisque les avancées technologiques rapides montrent que les centrales à charbon peuvent être converties pour brûler de l’hydrogène, tandis que la fabrication de ciment et la production d’acier peuvent utiliser de l’hydrogène et une électricité verte.
En effet, comme expliqué ci-dessous, le dispositif d’entraînement 30 est prévu pour entrainer : - l’arbre interne tournant et donc l’outil de travail 20 à une première vitesse de rotation, via le premier moyeu tournant 31, et - l’arbre creux tournant 40 à une deuxième vitesse de rotation, via le deuxième moyeu tournant 32, si bien que l’arbre creux tournant 40 et l’outil de travail 20 présentent un différentiel de vitesse angulaire, et un déphasage angulaire constant s’opère entre ces deux pièces au cours du travail des aliments.
Comme vu ci-dessus, l’outil de travail 20 est naturellement poussé vers le haut par le couple de réaction des aliments travaillés et la liaison hélicoïdale, si bien que la contreforme 25 de l’outil de travail 20 finit par entrer en contact avec la surface de contact biseautée 41 en raison du différentiel de vitesse angulaire entre l’arbre creux tournant 40 et l’outil de travail 20. Au cours d’une rotation relative entre l’arbre creux tournant 40 et l’outil de travail 20 sur 360°, la surface de contact biseautée 41 glisse sur la contreforme 25 pour alternativement : - repousser l’outil de travail 20 vers le bas, puis - laisser remonter l’outil de travail 20 vers le haut. Le mouvement axial de l’outil de travail 20 est donc une alternance de montées et de descentes dans la cuve de travail 50.
Dans le détail, le dispositif d’entraînement 30 représenté figures 8 et 9 comprend la coupelle amovible 35 qui supporte dans ce mode de réalisation : d’une part en partie supérieure (vue de gauche de la ) : - le premier moyeu tournant 31 en partie supérieure, - la plaque d’étanchéité 33, - les lamelles 34 du dispositif de sécurité, d’autre part en partie inférieure (vue de droite de la ) : - l’arbre creux tournant 40.
On peut noter que les lamelles 34 sont visibles sur la vue de droite, et débouchent dans une rainure qui doit recevoir la paroi latérale 52 de la cuve de travail 50 : un déplacement est imposé aux lamelles 34 si la paroi latérale 52 est correctement en place, ce qui permet de détecter un montage correct pour autoriser le fonctionnement du moteur en toute sécurité.
La montre l’intérieur de la coupelle 35 : trois pignons doubles 36 sont engagés entre le premier moyeu tournant 31 et le deuxième moyeu tournant 32. Les pignons doubles 36 sont identiques, avec une première portion dentée engagée avec le premier moyeu tournant 31 et une deuxième portion dentée engagée avec le deuxième moyeu tournant 32. Pour imposer le différentiel de vitesse entre l’arbre creux tournant 40 et l’outil de travail 20, la première portion dentée compte un nombre de dent différent de la deuxième portion dentée. On peut prévoir un rapport de réduction compris entre 0.8 et 1.2. On peut prévoir par exemple une dent de différence pour 20 dents.
En résumé, le premier moyeu tournant 31 est entraîné par le moteur de l’appareil de préparation culinaire à une première vitesse de rotation, et transmet ce mouvement : - à l’arbre interne tournant 10 directement et sans rapport de réduction, - aux pignons doubles 36. Les pignons doubles 36 entraînent à leur tour l’arbre creux tournant 40 en rotation, mais en raison de la différence de nombre de dents entre la première portion dentée et la deuxième portion dentée, l’arbre creux tournant 40 a une deuxième vitesse de rotation, différente de la première vitesse de rotation.
La montre schématiquement une vue éclatée du montage décrit ci-dessus : - l’arbre interne tournant 10 supporte l’outil de travail 20 en partie inférieure , - le premier moyeu tournant 31 est monté dans le deuxième moyeu tournant 32, - les trois doubles pignons 36 sont engagés entre le premier moyeu tournant 31 et le deuxième moyeu tournant 32, - l’embout cannelé 13 de l’arbre interne tournant 10 est engagé dans l’alésage rainuré 314 de la portion d’arbre inférieure 313 du premier moyeu tournant 31.
La est une présentation schématique de l’appareil de préparation culinaire en configuration de travail, avec des aliments à préparer 200 placés dans la cuve de travail 50, avec l’outil de travail 20, l’arbre interne tournant 10, l’arbre creux 40. Le dispositif d’entraînement 30 avec la coupelle amovible 35 coiffe la cuve de travail 50 et le moteur M est accouplé au premier moyeu tournant 31. L’outil de travail 20 est situé en bas de la cuve de travail 50. On peut noter que le deuxième moyeu tournant (ici l’arbre creux tournant 40) est monté sur un roulement à bille (carrés noirs) emmanchés dans la coupelle amovible 35.
La montre l’appareil de préparation culinaire de la après un certain temps de fonctionnement. Le moteur M a entraîné l’arbre interne tournant en rotation selon la première vitesse de rotation via le premier moyeu tournant 31. Le couple de réaction exercé par les aliments à préparer 200 sur l’outil de travail 20 est transformé en force axiale vers le haut par le filet de l’arbre interne tournant 10, si bien que l’outil de travail 20 s’est déplacé vers le haut jusqu’à aller au contact de la surface de contact biseautée de l’arbre creux tournant 40.
Au cours des rotations suivantes, l’arbre creux tournant 40 étant entraîné à la deuxième vitesse de rotation par l’intermédiaire des pignons doubles 36, il va se déplacer angulairement par rapport à l’outil de travail 20 et le repousser progressivement vers le bas comme le montre la où l’on peut remarquer, comparativement à la , que l’arbre creux tournant 40 s’est déplacé de 180° par rapport à l’outil de travail 20 qui est désormais à nouveau en bas de la cuve de travail 50.
La montre une alternative de réalisation, dans laquelle l’arbre creux tournant 40 et le deuxième moyeu tournant 32 sont deux pièces distinctes.
Dans le détail, le deuxième moyeu tournant 32 porte toujours le premier moyeu tournant 31 en liaison pivot et se trouve monté sur la coupelle amovible 35 par des roulements à billes (carrés noirs). Cependant, l’arbre creux tournant 40 est en liaison pivot glissant sur l’arbre interne tournant 10, et repose sur l’outil de travail 20. On peut prévoir un deuxième accouplement entre l’arbre creux tournant 40 et le deuxième moyeu tournant 32, formé par exemple par des dents inférieures 62 ménagées sur la paroi latérale de l’arbre creux tournant 40, orientées vers le haut et par des dents supérieures 61 ménagées sur la paroi latérale du deuxième moyeu tournant 32, orientées vers le bas. Dans le détail, les dents supérieures 61 du deuxième moyeu tournant 32 sont en regard des dents inférieures 62 de l’arbre creux tournant 40 sur la , et bien visibles .
Comme le montre la , lors du démontage de la coupelle amovible 35, l’arbre creux tournant 40 reste sur l’arbre interne tournant 10, dans la cuve de travail 50. Lors du fonctionnement, seule la première phase de travail est différente. En effet, lors de la première montée de l’outil de travail 20, l’arbre creux tournant 40 est dégagé du deuxième moyeu tournant 32 et tourne à la même vitesse que l’outil de travail 20.
Lorsque l’outil de travail 20 atteint son point mort haut, il force l’arbre creux tournant 40 à s’engager avec le deuxième moyeu tournant 32 grâce à la forme asymétrique des dents inférieures 62 et des dents supérieures 61 du deuxième accouplement. Le deuxième moyeu tournant 32 est alors entraîné à la deuxième vitesse de rotation, et impose donc le déphasage angulaire entre l’outil de travail 20 et l’arbre creux tournant 40.
On retrouve ensuite le fonctionnement du premier mode de réalisation : l’arbre creux tournant 40 étant alors entraîné à la deuxième vitesse de rotation par l’intermédiaire des pignons doubles 36, il va se déplacer angulairement par rapport à l’outil de travail 20 et le repousser progressivement vers le bas via la surface de contact biseautée 41 et la contreforme 25.