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PROCEDE D'EXPLOITATION D'UN GISEMENT
DE CHARBON PAR GAZEIFICATION
SOUTERRAINE DU CHARBON La présente invention concerne un nouveau procédé pour le développement de la gazéification souterraine du charbon à grande profondeur.
Par le brevet européen 0273024 on connaît un procédé de production de méthane par gazéification souterraine d'une veine de charbon, selon lequel l'exploitation de la zone comprise entre les puits de production et les puits d'injection est réalisée en faisant alterner des périodes de semi-carbonisation à contre-courant et des périodes de gazéification à co-courant.
La communication"Filtration Gasification at Great Depth", présentée dans le cadre de l'International Underground Gasification Symposium, Delft, octobre 1989, propose une application de ce procédé, suivant un plan d'exploitation qui met en oeuvre un certain nombre de sondages déviés, prolongés par de longs forages en veine.
Dans l'état actuel de la technique, la réalisation de tels forages, dans une couche de houille située à grande profondeur, reste une opération coûteuse et difficile, qui peut devenir très aléatoire lorsque la couche ne présente pas une grande régularité.
La présente invention vise à remédier à ces difficultés et, à cet effet, elle propose un procédé d'exploi-
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tation tel que défini dans les revendications.
Ce nouveau procédé utilise une technique différente de la technique connue. En bref, au cours d'une phase préliminaire, le puits de production principal est utilisé comme puits d'injection d'agent gazéifiant durant un temps suffisamment long pour qu'une vaste cavité se développe, par gazéification du charbon, tout autour de ce puits. A cet effet, un puits de production auxiliaire, de plus petit diamètre, est foré à une certaine distance en aval du puits de production principal et c'est également par ce puits que l'on réalise la mise à feu du charbon et l'exhaure des eaux d'infiltration ou de condensation.
L'invention est exposée plus en détails dans ce qui suit à l'aide des dessins joints.
La figure 1 montre la disposition des deux puits forés dans un gisement.
La figure 2 montre les surfaces pouvant être affectées durant la phase préliminaire du procédé.
La figure 3 illustre un exemple de disposition de sondages de très petit diamètre au voisinage du puits de production.
Les observations faites, au cours de l'expérience de gazéification souterraine qui s'est déroulée à Thulin, dans le cadre de l'accord de coopération entre l'Etat Belge et la République Fédérale d'Allemagne, ont montré que l'injection d'un gaz ou d'un liquide, dans une couche de houille située à grande profondeur, pouvait être réalisée très aisément à travers des sondages de très
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petit diamètre à condition d'utiliser une pression d'injection nettement supérieure à la contrainte mécanique minimale du charbon. Par contre, le succès de l'opération de gazéification dépend, dans une large mesure, de la réalisation du puits de production.
Basé sur l'expérience acquise, le demandeur impose au puits de production de répondre à quatre exigences : a) assurer l'exhaure des eaux d'infiltration ou de condensation lorsque la température des gaz recueillis reste inférieure au point de rosée ; b) être équipé d'un dispositif permettant la mise à feu du charbon ; c) résister à la corrosion des différents constituants chimiques présents dans les gaz produits ; d) être en communication avec un chenal, une cavité ou une zone d'éboulis d'assez grande étendue afin que le débit de gaz recueilli ne soit pas limité par la trop faible perméabilité du charbon ou du semi-coke qui entoure la base du sondage.
L'invention satisfait à ces exigences en utilisant deux puits de production. La figure 1 montre la disposition de ces deux puits dans un gisement 10. Le puits de production principal 1 est équipé d'un tube enveloppe (casing) d'un diamètre de 10 à 12 pouces et d'un tubage calorifugé, à l'intérieur duquel le gaz produit est maintenu à une température supérieure au point de condensation de la vapeur d'eau.
Pendant une phase préliminaire, le puits est utilisé comme puits d'injection d'un agent gazéifiant, un mélange d'oxygène et d'eau, réalisé dans un dispositif générateur de mousse situé à l'extrémité d'un tubage flexible et rétractable (coiled tubing), à travers lequel s'effectue l'injection de l'eau additionnée d'agent moussant.
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Le puits de production auxiliaire 2 est foré à une vingtaine de mètres, par exemple, en aval du puits 1. Ce second puits est alésé au niveau du gisement pour permettre la réalisation d'un lit de graviers 3 facilitant la circulation du gaz. Il est pourvu d'un tube enveloppe d'un diamètre de l'ordre de six pouces et d'un tubage d'un diamètre de l'ordre de deux pouces, se prolongeant en dessous du niveau de la couche, dans un puisard 4 de récolte de l'eau.
Le tubage en question, réalisé en métal inoxydable, sert également de support à un brûleur utilisé pour la mise à feu du charbon.
Dans un gisement de charbon situé à 1.000 mètres de profondeur, dans lequel la pression lithostatique serait de l'ordre de 250 bar et la contrainte mécanique minimale du charbon de l'ordre de 150 bar, la phase préliminaire se déroulerait comme suit. De l'air est injecté par le puits 2 à une pression de 200 à 250 bar, et le brûleur est allumé pour injecter dans la couche un mélange d'air et de fumées de combustion à une température de l'ordre de 500 à 6000C. Après 10 à 12 heures d'injection de gaz oxydants chauds, décompression du puits 2 et utilisation de ce puits comme puits de production, en y maintenant une contrepression de l'ordre de 80 bar. Une opération de rétropyrolyse est ensuite effectuée entre les puits 2 et 1, en injectant par le puits 1 un mélange d'oxygène et d'eau conditionné sous forme de mousse.
Une opération de gazéification à co-courant est alors établie entre les puits 1 et 2 en injectant par le puits 1 un plus grand débit de mousse (oxygène + eau) gazéifiant afin de développer une cavité 11 autour du puits 1. La figure 2 montre les surfaces qui pourraient être affectées durant ces deux dernières opérations et l'étendue de la cavité 11 qui pourrait être gazéifiée autour du puits de production
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principal 1.
Une fois terminée l'opération de gazéification entre les puits 1 et 2, on procède à la décompression du puits 1, l'oxygène qui s'y trouve est balayé par une injection d'azote et le puits est définitivement affecté à la récupération du gaz, en y maintenant une contrepression de l'ordre de 80 bar. La suite des travaux consiste à réaliser une extension progressive du gazogène souterrain suivant la procédure décrite dans le brevet européen 0273024, en utilisant comme puits d'injection une série de sondages 5 de très petit diamètre, espacés de 40 à 50 mètres par exemple, comme illustré en figure 3.
L'équipement de chacun des sondages comporte un tube enveloppe d'un diamètre de l'ordre de trois pouces, et un tubage flexible rétractable (coiled tubing) d'un diamètre de l'ordre d'un pouce. Pour éviter la corrosion du tube enveloppe, l'eau additionnée d'agent moussant est injectée par le tubage et l'oxygène est injecté dans l'espace annulaire entre le tubage et le tube enveloppe. Leur mélange se réalise au fond du puits, dans un dispositif générateur de mousse situé à l'extrémité du tubage.
On dispose d'une grande liberté dans le choix du plan d'exploitation. A titre d'exemple, on peut envisager un plan d'exploitation par cercles concentriques autour du puits de production principal 1 comme illustré en figure 3. Les sondages situés sur les différents cercles entourant le puits de production sont utilisés successivement comme puits d'injection.
Le procédé conforme à l'invention présente une grande
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fiabilité. En effet, la technique du microforage est parfaitement au point et les outils qu'elle utilise sont d'usage courant dans de très nombreuses applications industrielles. Par ailleurs, avant d'être utilisé comme puits d'injection, chaque sondage constitue un puits de reconnaissance et, après leur forage, il ne peut subsister aucune incertitude concernant la géologie du gisement. Le procédé est également très flexible et peut éventuellement être utilisé dans des zones dérangées, l'exploitation pouvant contourner les zones d'étreinte ou de wash-out.
De plus, le recours au forage dévié permet de limiter ltoccupation de la surface du sol et de la réduire au minimum lorsque tous les sondages d'injection sont réalisés à partir d'une même tour de forage située au voisinage du puits de production principal.
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PROCESS FOR THE EXPLOITATION OF A DEPOSIT
OF COAL BY GASIFICATION
The present invention relates to a new process for the development of underground gasification of coal at great depth.
By European patent 0273024 there is known a process for producing methane by underground gasification of a coal seam, according to which the exploitation of the zone between the production wells and the injection wells is carried out by alternating periods countercurrent semi-carbonization and co-current gasification periods.
The communication "Filtration Gasification at Great Depth", presented within the framework of the International Underground Gasification Symposium, Delft, October 1989, proposes an application of this process, according to an exploitation plan which implements a certain number of deviated soundings , extended by long vein drilling.
In the current state of the art, the realization of such drilling, in a layer of coal located at great depth, remains an expensive and difficult operation, which can become very random when the layer does not have a great regularity.
The present invention aims to remedy these difficulties and, to this end, it provides a method of operating
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tation as defined in the claims.
This new process uses a technique different from the known technique. In short, during a preliminary phase, the main production well is used as a gasifying agent injection well for a time long enough for a large cavity to develop, by gasifying coal, all around it. well. For this purpose, an auxiliary production well, of smaller diameter, is drilled at a certain distance downstream from the main production well and it is also by this well that the firing of the coal and the dewatering of seepage or condensation water.
The invention is explained in more detail below with the aid of the accompanying drawings.
Figure 1 shows the arrangement of the two wells drilled in a deposit.
Figure 2 shows the areas that can be affected during the preliminary phase of the process.
FIG. 3 illustrates an example of the arrangement of very small boreholes in the vicinity of the production well.
The observations made during the underground gasification experiment which took place in Thulin, within the framework of the cooperation agreement between the Belgian State and the Federal Republic of Germany, showed that the injection of '' a gas or a liquid, in a layer of coal located at great depth, could be carried out very easily through soundings of very
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small diameter on condition of using an injection pressure significantly higher than the minimum mechanical stress of the coal. On the other hand, the success of the gasification operation depends, to a large extent, on the completion of the production well.
Based on the experience acquired, the applicant requires the production well to meet four requirements: a) ensure the dewatering of infiltration or condensation water when the temperature of the gases collected remains below the dew point; b) be equipped with a device allowing the ignition of coal; c) resist corrosion of the various chemical constituents present in the gases produced; d) be in communication with a fairly large channel, cavity or scree so that the flow of gas collected is not limited by the too low permeability of the coal or semi-coke that surrounds the base of the survey.
The invention meets these requirements by using two production wells. Figure 1 shows the arrangement of these two wells in a deposit 10. The main production well 1 is equipped with a casing tube with a diameter of 10 to 12 inches and a heat-insulated casing, at the inside of which the gas produced is kept at a temperature above the condensation point of water vapor.
During a preliminary phase, the well is used as an injection well for a gasifying agent, a mixture of oxygen and water, produced in a foam generating device located at the end of a flexible and retractable casing ( coiled tubing), through which water injected with foaming agent is injected.
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The auxiliary production well 2 is drilled about twenty meters, for example, downstream of the well 1. This second well is bored at the level of the deposit to allow the production of a gravel bed 3 facilitating the circulation of the gas. It is provided with an envelope tube with a diameter of the order of six inches and a casing with a diameter of the order of two inches, extending below the level of the layer, in a sump 4 harvesting water.
The casing in question, made of stainless metal, also serves as a support for a burner used for igniting coal.
In a coal deposit located 1,000 meters deep, in which the lithostatic pressure would be of the order of 250 bar and the minimum mechanical stress of the coal of the order of 150 bar, the preliminary phase would proceed as follows. Air is injected through well 2 at a pressure of 200 to 250 bar, and the burner is ignited to inject into the layer a mixture of air and combustion fumes at a temperature of the order of 500 to 6000C . After 10 to 12 hours of injection of hot oxidizing gases, decompression of well 2 and use of this well as a production well, while maintaining a back pressure therein of the order of 80 bar. A retropyrolysis operation is then carried out between wells 2 and 1, by injecting through well 1 a mixture of oxygen and water conditioned in the form of foam.
A co-current gasification operation is then established between wells 1 and 2 by injecting through well 1 a greater flow of gasifying foam (oxygen + water) in order to develop a cavity 11 around well 1. FIG. 2 shows the surfaces which could be affected during these last two operations and the extent of the cavity 11 which could be gasified around the production well
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main 1.
Once the gasification operation between wells 1 and 2 has been completed, decompression of well 1 is carried out, the oxygen which is there is swept by an injection of nitrogen and the well is definitively assigned to the recovery of the gas, maintaining a back pressure of around 80 bar. The rest of the work consists in carrying out a gradual extension of the underground gasifier according to the procedure described in European patent 0273024, using as injection well a series of very small boreholes 5, spaced 40 to 50 meters for example, as illustrated in figure 3.
The equipment for each borehole comprises an envelope tube with a diameter of around three inches, and flexible retractable tubing (coiled tubing) with a diameter of around one inch. To avoid corrosion of the envelope tube, the water added with foaming agent is injected through the casing and oxygen is injected into the annular space between the casing and the envelope tube. They are mixed at the bottom of the well, in a foam generating device located at the end of the casing.
There is great freedom in the choice of the operating plan. As an example, we can consider an exploitation plan by concentric circles around the main production well 1 as illustrated in FIG. 3. The boreholes located on the different circles surrounding the production well are used successively as injection wells .
The process according to the invention has a great deal
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reliability. Indeed, the microforage technique is perfectly developed and the tools it uses are in common use in many industrial applications. Furthermore, before being used as an injection well, each borehole constitutes a reconnaissance well and, after their drilling, there can be no uncertainty regarding the geology of the deposit. The process is also very flexible and can possibly be used in disturbed areas, the operation being able to bypass embrace or wash-out areas.
In addition, the use of deviated drilling makes it possible to limit the occupation of the soil surface and to minimize it when all the injection drilling is carried out from the same drilling tower located in the vicinity of the main production well.