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La présente invention concerne un procédé et les appareils ser- vant à son exécution,pour l'extraction de gaz dissous dansles couches pro- fondes des masses d'eau telles que lacs et autres, dénommées ci-après; lac, par l'amenée de la solution de gaz dans l'eau depuis ces couches, par pom- page et/ou éventuellement par auto-pompage, à un niveau où règne une pres- sicn inférieure.
Avant de procéder à la description de l'invention proprement dite il sera donné un exposé des problèmes à résoudre pour aboutir à une ré ali sati on économique du genre d'extraction considéré.
Pour plus de clarté cet exposé sera subdivisé en quatre parties traitant séparément les différents problèmes en question. lo Les eaux profondes de certains lacs contiennent des quantités plus ou moins importantes de gaz combustible maintenu en di ssolution par la pression hydos tiqueo Ce gaz est habituellement constitué par du méthane accompagné de quantités substantielles de CO2 et d'une petite quantité de gaz divers, tels que par exemples l'azote, le H.S, l'argon, etc. Il est évi- dent que si l'on réduit de quelque façon la pression hydrostatique dans une mesure suffisante,il se produira un dégazage qui est d'autant plus impor- tant que la réduction de pression est plus grande.
Ceci est notamment le cas si un tuyau est immergé dans le lac de telle façon que son extrémité inféri- eure soit située dans les couches riches en gaz, et si l'eau de profondeur est remontée vers la surface au moyen d'une pompe.Dès que les eaux profon- des atteignent un niveau où la pression est inférieure à la tension des gaz dissous, le dégazage commencera
A partir de ce riveau, la conduite contiendra un mélange de gaz et d'eau la quantité de gaz allant en croissant à mesure que l'on s'appro- che de la surface.
Dès que des gaz atteignent la pompe, le rendement de celle-ci se trouve considérablement réduit, le volume aspiré étant maintenant la somme du volume de l'eau plus le volume de gazo
Dans certains cas, la pompe peut être supprimée dès que l'amor- çage est réalisé-, en effet, le dégazage de l'eau dans le tuyau réalise spontanément une pompe à bulles ou émulseur, dont le principa est bien con- nu et qui est utilisée depuis longtemps dans l'industrie;,
Cependant une pompe à bulles ne fonctionne que dans des limites assez étroites, en particulier, pour un rapport eau-gaz déterminé, le débit diminue rapidement avec la charge totale du système considérée
Comme les conduites de captage sont très coûteuses, on doit s'efforcer de pousser leur débit au maximum, sans quoi la rentabilité de- vient insuffisante;
or dans le pompage par émulsion naturelle on n'a aucun contrôle sur le débit d'une conduite de longueur et de diamètre donnés.
Théoriquement on peut résoudre cette difficulté en ayant re- cours à une pompe immergée placée à une profondeur telle qu'il ne puisse y avoir dégazage à l'aspiration de la pompe.
En pratique, dansle cas de l'exploitation de l'eau profonde d'un lac, cette solution se heurte à des difficultés qui la rendent écono- miquement irréalisableo
Il a été trouvé suivant l'invention qu'une meilleure solution consiste à opérer la séparati on de l'eau et du gaz dans un séparateur opé- rant à pression atmosphérique,ou au voi sinage de celle-ci,placé à une certaine profondeur au dessous du niveau du lac et à remonter l'eau dégazée au moyen d'une pompe d'extractiono La différence de niveau entre le sépara- teur et la surface du lac venant en déduction de la perte de charge du système, le débit de ce dernier, sous l'effet de la même force motrice na- turelle due au dégazage,
se trouvera augmentée
L'énergie requise pour élever de quelques mètres l'eau dégazée est faible vis-à-vis de l'économie réalisée sur les investissements,,
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2. C'est une caractéristique bien connue des émulseurs que la condition essentielle de leur bon fonctionnement est que la conduite soit verticale ou presque verticale.
Il est clair que pour l'exploitation des gaz contenus dans les eaux profondes d'un lac, l'établissement d'une conduite de captage verticale est peu intéressante: elle postule en effet l'établissement d'un ponton flottant à une distance plus ou moins grande de la berge. L'ancrage ce ce ponton dans les eaux profondes, seules susceptibles de recéler du gaz, pose des problèmes difficiles (tels que la corrosion rapide des amarres pour ne citer que celui-là). Pour les lacs de grande surface, la possibilité de véritables tempêtes sera cause de soucis supplémentaires. Le ponton devra être relié à la berge par des conduites en surface ou à faible profondeur susceptibles d'être aisément endommagées.
Tandis que les installations de captage seront placées à bord du ponton, les installations de traitement devront être installées à terre(les colonnes d'épuration du gaz notamment ne pouvant fonctionner correctement sans une base parfaitement stable). Ceci postule la présence de personnel en deux points distants entre lesquels devront être établies des liaisons permanentes.
Bref, sans que les problèmes ainsi posés soient réellement insolubles, il est clair que l'on arrivera de cette façon à une solution notablement moins économique que si l'ensemble des installations pouvait être établi à terre, la conduite de captage s'enfonçant obliquement sous les eaux jusqu'à déboucher dans les couches exploitables.
Les expériences effectuées ont .'conduit à établir le fait surprenant que dans l'exploitation de gaz dissous dans des eaux profondes, l'obliquité de la conduite de captage n'affecte que faiblement le fonctionnement de L'émulseur naturel produit par le dégazage de ces eaux -pour, autant cependant que la conduite ne présente pas de contrepentes dans la partie du tuyau où des gaz libres sont présents.
L'étude du phénomène ainsi découvert montre que la cause en est la suivantes
Dans un émulseur industriel la totalité du gaz est introduite dans la colonne liquide à un niveau déterminé H.A partir de ce niveau, la différence de densité vis-à-vis du liquide environnant est importante,
Dans l'émulseur naturel au contraire, le dégazage est très progressif. Pour obtenir la même force motrice que dans le cas précédent il devra commencer à une profondeur H1 notablement supérieure à H.
La densité de l'émulsion, voisine de celle du liquide seul dans la région profonde où commence le dégazage, ira en s'abaissant très progressivement et ce n'est que dans la partie supérieure du tuyau que du gaz sera présent en quantités importantes.
Or la perte de rendement dans un émulseur industriel dont la conduite est oblique résulte de la formation de poches de gaz importantes favorisées par le rassemblement du gaz le long de la génératrice supérieure de la conduite.
Dans un émulseur naturel, dans toute la partie de la conduite où le gaz n'est présent que sous forme de bulles individuelles de petit diamètre, la tendance de ces bulles à se rassembler est faible, et ce n'est donc que dans la partie supérieure d'un émulseur naturel dont la conduite est oblique que l'on observera les phénomènes perturbateurs ; ils n'auront donc qu'une incidence limitée sur l'ensemble de la force motrice créee dans le système.
C'est ainsi qu'un captage dont la conduite, horizontale à son extrémité inférieure, se relevait jusqu'à une inclinaison voisine de 45 au voi sinage de la surface pour déboucher dans un séparateur situé sur le rivage, développait encore une force motrice équivalante à une colonne d' eau de 4,9 mètres de hauteur, contre 5,8 mitres d'eau -la même conduite,
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en position verticale. La perte de force motrice causée par la position très fortement oblique du système ne s'élevait donc qu'à 15,5%.
Eu égard aux avantages de l'exploitation en position oblique, il est clair que l'on aura grand intérêt à adopter de préférence cette disposition et à compenser la perte de force motrice par un abaissement du niveau du séparateur tel qu'il a été décrit ci-dessus, sous 1.
Subsidiairement., , il résulte de ce qui précède que pour limiter la perte on aura intérêt, si les lieux s'y prêtent, à déboucher à la rive en un endroit où celle-ci est abrupte, de façon à redresser la partie ter- minale de la conduite, ou éventuellement à utiliser un quai ou tout autre dispositif équivalent.
3. Mais même ainsi il subsiste généralement dans l'exploitation envisagée un inconvénient grave. En effet, le gaz combustible contient des quantités importantes de gaz inertes, constitués en majeure partie par du CO2. De ce fait, le gaz brut recueilli au séparateur a un pouvoir calorifique réduite C'est ainsi par exemple qu'un gaz à 24% de CH1, à 74% de CO2 et 2% de gaz inertes divers n'aura qu'un pouvoir calorifique de 2000 kcal par mètre cube normal environ contre 8.500 pour du méthane pur et de 7.850 pour le gaz précédent débarrassé de tout son CO2 Du gaz à faible pouvoir calori fi que présente pour toutes les utilisations que l'on peut envisager l'inconvénient d'un rendement réduit, et pour certaines d'entre-elles, (distribution domestique, mise en bonbonnes,
moteurs thermiquesà haute compression, etc.) on doit considérer son enrichissement plus ou moins poussé comme absolument indispensable.
Or l'épuration d'un gaz à haute teneur en CO2 par les méthodes classiques de l'industrie est une opération coûteuse tant en frais de pre- mière installation qu'en consommation d'énergieo
Un autre but de la présente invention est d'obtenir directe- ment du gaz de pouvoir calorifique élevé sans aucune dépense supplémentaire d'énergie et même avec une utilisation de l'énergie de dissolution supéri- eure à celle du pompage par émulsion naturelleo Il a été constaté que le gaz qui sort de solution sous une pression supérieure à la pression atmos- phérique; dans les régions profondes de la zône de dégazage de la conduite est notablement plus riche en méthane que l'on ne pourrait s'y attendre.
Les observations montrent que le CO subit par rapport au méthane un retard à la désorption tel que la composition du gaz s'écarte notablement de la composition prévue. Si par conséquent un séparateur partiel est installé sur la conduite de oaptage à une profondeur telle qu'il opère sous une pression suffisante; on pourra recueillir, sous cette pression, la presque totalité du méthane accompagné seulement d'une quantité réduite de CO2.
Au-dessus de ce séparateur, le gaz résiduel de l'eau, composé presque exclusivement de CO2, se désorbe à son tour et contribue à la circulation du liquide par émulsion naturelle.
Bien entendu le soutirage de gaz diminue la force motrice totale développée par le système et réduit donc son débit.
Pour le ramener à sa valeur initiale il suffit d'abaisser de la quantité voulue le séparateur final travaillant au voi sinage de la pres- sion atmosphérique et à évacuer l'eau dégazée au moyen d'une pompe d'extrac- tiono La dépensa' d'énergie requise pour ce faire trouve une contrepartie dans la pression sous laquelle est recueilli le gaz riche au séparateurpar- tiel et qui peut être récupérée de diverses façons.
L'examen des courbes caractéristiquesd'une pompe à bulles montre que, pour les conditions dexploitation que l'on peut normalement envisager, la façon de procéder qui vient d'être exposée conduit à une amé- lioration du rendement énergétique de l'ensembleo En effet, dans une pompe à bulles le débit d'eau n'est pas une fonction linéaire du débit de gaz
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moteurs après un maximum du rapport volume d'eau,/volume de gaz correspondant à des valeurs relativement faibles du débit, le débit d'eau n'augmente plus que de plus en plus lentement avec le débit de gaz.
Dans toute exploitation économiquement acceptable, on devra atteindre des débits supérieurs à celui qui correspond au point optimum de la courbe et par conséquent le soutirage d'une partie du gaz ne provoquera qu'une réduction moins que proportionnelle du. débit d'eau. En d'autres termes, l'énergie retrouvée sous forme de pres- sion dans le gaz riche est supérieure à celle qu'il faut dépenser à la pom- pe d'extraction pour compenser la diminution de débit.
Ainsi qu'il a déjà été mentionné plus haut, on aura intérêt à abaisser le niveau du séparateur final d'une quantité supérieure à celle requise pour rétablir un débit équivalent à celui du pompage naturel, en vue d' améliorer la rentabilité des installations.
4. Le procédé qui vient d'être décrit permet d'obtenir du gaz com- bustible de pouvoir calorifique élevé, mais qui n'est cependant pas encore totalement exempt de CO2; la teneur en CO2 que l'on choisira d'admettre dans le gaz riche résultera ci.'un compromis entre la concentrati on de ce gaz et la perte inévitable de méthane qu'il faut consentir dans le gaz résiduel.
Par exemple on pourra, dans certaines conditions, être amené à décider de régler le fonctionnement du séparateur sous pression de telle façon que l'on obtienne un gaz riche à 70% de CH4 (pouvoir calorifique = 5900 kcal par mètre cube normal) en consentant une perte de 20% sur le méthane, ou bien préférer se contenter d'un gaz à 50% de CH (pouvoir calorifique = 4250 kcal par mètre cube normal) en ne perdant que 54 du méthane.
En vue d'obtenir finalement de façon très économique un gaz de pouvoir calorifique très élevé tout en ne consentant qu'une perte minime de méthane, il a été trouvé que l'énergie retrouvée sous forme de pression dans le gaz riche pouvait être utilisée à une épuration finale de ce gaz.
Pour cela il suffit d'utiliser ce gaz à l'élévation, par émul- sion, de l'eau de surface du lac au sommet d'une colonne de lavage, où le gaz, déjà partiellement débarrassé de son CO2 dans la conduite élévatrice de l'émulseur, achèvera d'être purifié. Le gaz final ne contiendra plus dans ces conditions que quelques pourcents de CO2 et sera totalement exempt de H2S.
On conçoit de ce qui précède que l'invention consiste, d'une façon générale, en un procédé d'extraction de gaz dissousdans les eaux profondescaractérisé par les points suivantsconsidérés séparément ou en combinaison : - on effectue, à un niveau situé au-dessous du niveau du lac et auquel s'est déjà produite une désorption au moins partielle de gaz d' avec l'eau, une séparation des gaz désorbés et de l'eau.
- la séparation des gaz désorbés et de l'eau est effectuée à un niveau situé au-dessous du niveau du lac en opérant à une pression voisi- ne de la pression atmosphérique, - la séparation des gaz désorbés et de l'eau est effectuée à un niveau situé au-dessous du niveau du lac et à une pression telle qu'il se produise une désorption d'une quantité relativement forte de gaz à récupé- rer et une désorption relativement fâible de gaz résiduel ou à rejeter; - on effectue, à un premier niveau, et sous une pression telle qu'il se produise une désorption relativement forte du gaz à récupérer et une désorption relativement faible du gaz résiduel ou à rejeter, une sépara- tion du gaz à récupérer désorbé et de l'eau contenant du gaz résiduel non encore désorbé;
on fait monter cette eau, sous l'effet de la désorption du gaz résiduel, à un second niveau situé au-dessus du premier niveau de sépara- tion; on opère à ce second niveau et avantageusement au voisinage de la pres- sion atmosphérique une séparation des gaz résiduels désorbés et de l'eau qui les contient ;
ondispose d'une part des gaz résiduels et d'autre part de 1'
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eau séparée à ce second niveau, - on utilise la poussée ascensionnelle du gaz à récupérer désor- bé et séparé au niveau inférieur de séparation pour élever au-dessus du ni- veau du lac, une certaine quantité d'eau, cette eau pouvant être notamment utilisée à le*épuration de ce naine gazo
D'autres points caractéristiques du procédé faisant l'objet de la présente invention,ainsi que lescaractéristiques du di spo sitif pour la mise en pratique du procédé, ressortiront de la description ci-dessous et des revendications.
Quant au dispositif, lesdessins annexés en représentent deux formes d'exécution, à savoirs la figure 1, un schéma d'une installation de. captage, de sépa- ration et dépuration à tuyau de captage vertical; la figure 2 un schéma d'une installation de captage, de sé- paration et d'épuration à tuyau de captage oblique,
Suivant le schéma représenté sur la figo 1, un tuyau de capta- ge A est immergé plus ou moins verticalement dans le lac de façon à ce que son extrémité inférieure plonge dans la couche d'eau à exploiter.
Son extrémité supérieure débouche dans un séparateur B disposé à une pro- fondeur convenable au-dessous du niveau 0 du lac, où s'effectue la sépara- ti on du gaz qui s'est dé sorbé dans le tuyau Ao Ce gaz s'évacue versla sur- face par la conduite C garnie d'un robinet r3.
Le niveau du séparateur B est choisi de façon à ce qu'il y règ- ne une pression à laquelle la majeure partie du méthane s'est désorbée de l'eau alors que la majeure partie du CO2 y reste encore dissoute. L'eau partiellement dégazée quitte le séparateur B par une conduite D dans laquelle la désorption notamment celle du CO2, se complète et qui débouche dans un second séparateur Eo Celui-ci est placé à un niveau tel que le débit du système soit satisfaisant dans le sens expliqué plus hauto Le gaz résiduel est évacué sous une pression voisine de la pression atmosphérique par le robinet r1 tandis que l'eau, dégazée à cette même pression, est reprise du séparateur E par une pompe d'extraction ou par tout autre dispositif ap- proprié pour etre envoyée, soit directement au lac,
en surface ou en pro- fondeur, soit à des installations de traitement, d'épuration ou de récupé- ràtion de sous-produits.
La mise en service de l'installation, telle qu'elle est re- présentée à la figo 1, se fait en enclenchant la pompe F, le robinet r étant ouvert et les robinets rl et r étant ferméso Lorsqu'une quantité. suffisante de gaz apparait au refoulement de la pompe, on ouvre r et r et on règle r de façon à maintenir le niveau d'eau constant dans le se parateur E. Pour mettre l'installation à l'arrêt, on ferme les robinets r1, r2 et r3 et on arrête la pompe.
Le gaz riche sous pression provenant du séparateur B est injec- té à la base, plongée dans le lac, d'un émulseur G dans lequel il élève 1' eau nécessaire à l'épuration finale.
Cette eau séparée du gaz riche dans un séparateur H alimente la colonne de lavage J, à la base de laquelle le gaz riche est introduit.
Le gaz épuré sortant de la colonne J est stocké dans un gazo- mètre K, tandis que l'eau ayant servi au lavage est rejetée.
Des appareils de mesure L, M et N permettent de contrôler le fonctionnement de l'installation.
EXEMPLE 1.
Supposons que l'on désire exploiter une couche d'eau contenant des gaz dissous située à une profondeur de 350 mètreso
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La détente de cette eau à pression atmosphérique libère deux litres de gaz par litre d'eau, la composition du gaz étant la suivante:
CH4 24%
CO2 74%
H2S 0,2%
Divers 1,8% L'installation de captage suivant la fig. 1 est supportée par un ponton flottant (non représenté); le tuyau vertical A plongeant dans la couche à exploiter aboutit au séparateur B dont la base se trouve à 15,5 mètres sous la surface du lac. Ce séparateur enlève un litre de gaz par litre d'eau débitée par le captage, le gaz ainsi séparé ayant la composition sui- vante:
CH4 46%
CO2 50,9%
H2S 0,1%
Divers 3%
Ce gaz est évacué par C à une pression de 1,7 atm. absolue.
L'eau partiellement dégazée quitte le séparateur B par une colonne montante D dans laquelle son dégazage se complète; la séparation de l'eau et du gaz résiduel s'opère dans le séparateur E où règne pratique- ment la pression atmosphérique, placé à une profondeur de 3,5 mètres sous le niveau du lac, cette dénivellation ayant été choisie de façon à assurer à l'eau une vitesse supérieure à un mètre par,seconde dans le tuyau de cap- tage A. suivante - Le gaz résiduel, rejeté à l'atmosphère par r1, a la composition
CH4 2%
CO2 97,1%
H2S 0,3%
Divers 0,65
L'eau dégazée est extraite du séparateur E au moyen de la pompe F.
Le gaz riche provenant du séparateur B sous pression est intro- duit par C dans l'émulseur G dont la base est située à 6,5 mètres sous le niveau du lac. Cet émulseur élève à 3 ,5 mètres au-dessus du niveau du lac 0,7 litre d'eau de surface par litre de gaz riche compté à la pression at- mosphérique. Après séparation dans le séparateur H, l'eau, qui dans l'émul- seur G a déjà absorbé une certaine quantité de CO2, est utilisée à l' arro- sage de la colonne de lavage J contenant une couche d'anneaux Raschig ou autre remplissage, d'une hauteur utile de 2,5 m.
Le gaz riche est introduit à la base de la colonne J, où il est débarrassé, à contre-courant par rap- port à l'eau de lavage, de la presque totalité du CO2 qu'il contient et de toute la quantité de H2S, et est finalement envoyé au gazomètre K.
La composition du gaz final est la suivante :
CH4 87%
CO2 7,5%
H2S 0,0%
Divers 5,5%
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Son pouvoir calorifique inférieur est de 70400 kcal par mètre cube normale
Pour 100 mètres cubes de méthane pouvant être libéré de l'eau profonde à la pression atmosphérique 96 mètres cubes sont effectivement récupérés dans le gaz riches, 4 sont perdus dans le gaz résiduelo Ces 100 mètrescubes sont accompagnesde 30895 mètres cubesde CO2.Le gaz épuré n'en contient plus que 8,3.
Des 300,2 m3 qui ont été éliminés, 92,3 seule- ment on dû 1?être par les installations d'épuration, le reste donc plus de deux tiers étant éliminé par l'un des artifices qui font l'objet de la présente invention, c'est-à-dire que cet artifice réduit les installations dépuration à moins du tiers de leur importance normale; cette réduction affecte non seulement le volume des installations (réduction des frais de premier établissement) mais également leur consommation d'énergie qui est élevée (réduction des frais d'exploitation).
La consommation d'énergie du procédé se limite à l'extraction de l'eau dégazéeo
Pour les mêmes 100 mètres cubesde : thane 208 mètrescubes d'eau doivent être élevés de 3,5 m soit une dépense de 7300000 kilogrammè- très. Cette énergie se divise en deux'parts: celle qui compense l'énergie perdue par diminution de la quantité de gaz dans la conduite (D) mais que l'on récupère dans l'émulseur (G) grace auquel l'épuration s'effectue sans consommation d'énergie extérieureo Cette énergie représente l'éléva- tion de 146 m d'eau à 3,5 mètres soit 5100000 kilogrammètres.
L'autre partie, soit 2200000 kilogrammètres est une dépense d'énergie consentie en vue d'assurer à la tuyauterie de captage un débit économique.
En supposant que les 7300000 kilogrammètres soient fournis par une pompe actionnée par du courant électrique obtenu au départ du gaz épu- ré lui-même dans un groupe électrogène comportant un moteur à gaz à haute compression la consommation de gaz correspondante serait, en évaluant à 18% le rendement global de l'ensemble des machines de 1,28 m3 de gaz épuré à 7.400 kcalo (7.400 X 1,28 = 90500 kcal; 9500 x 18 = 10710 kcal;
100 1710 kcal x 427 = 730.000 kgm)
Ce chiffre correspond à 1,11 m3 de CH4 puro
Le rendement total sur méthane est donc de 100 - 4 - 191 = 94,895.
Grâce à la simplicité de l'appareillage requis, à cet excellent rendement s'ajoute Davantage d'une valeur minimum des investissements, EXEMPLE II.
La même exploitation est effectuée en utilisant un tuyau de cap- tage oblique débouchant sur la rive du lac.où se trouvent concentrées les installations (voir figure 2). Le séparateur sous pression B' est disposé à une certaine distance de la rive, de telle façon que sa profondeur d'im- mersion soit de 19 m.
De ce séparateur partent vers la rives 1. une conduite C' à gaz riche sous une pression de 1,7 atm. abs.
2. une conduite D' à eau débouchant au séparateur à pression atmosphérique E' situé à une profondeur de 7 m sous le niveau du laco
Les conditions d'exploitation seront les marnes que celles de l'exemple I sauf la consommation d'énergie qui sera doubleo
Ceci résulte de ce que, pour obtenir d'une conduite de même diamètre,9 le même débit en po si ti on oblique qu'en po si ti on verticale il est nécessaire de compenser; la La perte de charge plus élevée due au fait que la conduite est plus longue.
2. la diminution de la force motrice produite par l'émulsior gaz-eau dans un tuyau oblique.
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Le rendement total sera cette fois de
EMI8.1
l±l0 - 4 - 2 Q2 =9378%
On voit que même avec un tuyau oblique le rendement reste excellent.
REVENDICATIONS.
1. Procédé d' extracti on de gaz dissous dans les couches profondes des masses d'eau telles que lacs et autres, dénommées ci-après lac, par l'amenée de la so luti on de gaz dans l'eau depuisces couches à un niveau où règne une pression inférieure, caractérisé en ce qu'on effectue, à un niveau situé au-dessous du niveau du lac et auquel s'est déjà produite une désorption au moins partielle de gaz d'avec l'eau, une séparation des
EMI8.2
gaz désorooa. et de l'eau.