"Procédé et appareillage pour le refroidissement des gaz
de gazéification souterraine des gisements de combustibles solides ou des gaz provenant de gisements pétroliers exploités par combustion "in situ".
le refroidissement des gaz de gazéification souterraine qui consiste à introduire, à l'intérieur des sondages de récupération des gaz de gazéification, un dispositif tubulaire dans lequel on réalise une circulation d'eau.
L'appareillage destiné à réaliser ce procédé est constitué de deux tubes concentriques :
- un tube fermé à sa partie inférieure dont le diamètre est habituellement compris entre 40 et 60% du diamètre utile du tubage du sondage, et
- un tube intérieur de plus petit diamètre utilisé pour l'adduction d'eau, ce dernier étant, si besoin, entouré d'une enveloppe calorifuge qui évite que l'eau de refroidissement subisse un échauffement excessif avant de parvenir au fond du sondage.
D'autres dispositifs de refroidissement utilisent
le mélange direct du gaz et du fluide refroidissant (généralement de l'eau) ; à titre d'exemple, un de ces dispositifs est décrit dans le brevet U.S.A. N[deg.] 3.343.598.
Cependant, lorsqu'on recourt au refroidissement par mélange direct, il est indispensable de disposer d'un dispositif sQr et rapide, qui permette d'ajuster le débit refroidissant en fonction des besoins. En effet, si ce débit est trop faible, il existe un risque de surchauffe du tubage, si
ce débit est trop élevé, il existe un risque de pénétration d'eau dans les terrains.
Le procédé conforme à la présente invention a pour objet un dispositif de refroidissement par mélange direct, dans lequel le débit d'eau de refroidissement est réglé auto-
i matiquement en fonction de la température du gaz de gazéification, de telle façon que le mélange de gaz et de vapeur d'eau
<EMI ID=1.1>
constante.
Le débit d'eau nécessaire pour obtenir ce résultat peut se déterminer par la relation :
<EMI ID=2.1>
dans laquelle :
Q désigne le débit de gaz (Nm<3>/h)
Cp la chaleur spécifique du gaz (kcal/Nm<3>)
<EMI ID=3.1>
q le débit d'eau de refroidissement (kg/h)
<EMI ID=4.1>
(kcal/kg)
et i l'enthalpie d'un kg d'eau à son arrivée au fond du
sondage (kcal/kg).
Dans le dispositif conforme à l'invention, le débit d'eau est contrôlé par une soupape dont l'ouverture e varie proportionnellement à la différence de température
<EMI ID=5.1>
<EMI ID=6.1>
le débit d'une telle soupape peut se calculer par la formule:
<EMI ID=7.1>
avec les notations :
d : diamètre de la soupape (m)
<EMI ID=8.1>
la soupape
g : coefficient d'accélération gravifique (9,81 m/sec<2>) H : hauteur de charge en amont de la soupape (m d'eau) h : hauteur de charge en aval de la soupape (m d'eau).
<EMI ID=9.1>
tion (1), il vient :
<EMI ID=10.1>
On voit que par un choix judicieux de la géométrie de la soupape (d et � ) et du facteur k, on peut réaliser l'ajustement automatique du débit d'eau quelle que soit la température du gaz, pour autant que Q et V H - h restent constants ou qu'ils varient en restant sensiblement proportionnels l'un à l'autre.
Dans le dispositif conforme à l'invention, l'ouverture de la soupape d'amenée d'eau est commandée directement par la dilatation d'un système de détection de la température du gaz placé au fond du sondage et qui comporte deux métaux à coefficients de dilatation différents.
Le principe du dispositif est illustré, à titre d'exemple uniquement, aux dessins annexés, dans lesquels :
Figure 1 montre une coupe longitudinale passant par l'axe du sondage ; Figure 2 montre une coupe longitudinale, à plus grande échelle, à travers le dispositif de contrôle du débit d'eau, et Figure 3 montre une coupe transversale, à travers ce même dispositif, par le plan XY de la figure 1.
Le dispositif conforme à l'invention comporte essentiellement un réservoir métallique cylindrique 1 d'un diamètre généralement compris entre 40 et 60% du diamètre utile du tubage 2 et d'une longueur n'excédant pas 5 à 10 mètres, dont la paroi latérale est percée d'orifices de faible diamètre 3 et dont le fond supérieur est traversé par un tube 4 destiné à l'adduction d'eau et qui se prolonge à l'intérieur du réservoir. Ce tube se termine par un orifice 5, contre lequel s'applique une soupape 6. La partie inférieure du réservoir comporte deux cylindres métalliques coaxiaux 7 et 8, Le cylindre extérieur 7 est constitué d'un acier réfractaire à coefficient de dilatation élevé et le cylindre intérieur 8 d'un acier au nickel à faible coefficient de dilatation (genre Invar).
La soupape 6 est solidaire du cylindre à faible dilatation 8 et lorsque le dispositif est mis en place, à température ambiante, elle est en position fermée et fortement appliquée sur son siège par serrage du pas de vis 9, par lequel le cylindre 7 est assemblé à une pièce de liaison 13 montée à la base du réservoir 1.
Quand la base du réservoir s'échauffe au contact des gaz de gazéification, qui remontent dans l'espace annulaire qui sépare le réservoir 1 du tubage 2, la différence de dilatation des cylindres 7 et 8 entraîne une réduction de l'effort de précontrainte qui appliquait la soupape sur son siège. Lorsque cet effort tombe en-dessous d'une limite prédéterminée, la soupape commence à s'ouvrir et, si la température des cylindres 7 et 8 continue à s'élever, l'ouverture de la soupape augmente, l'accroissement de l'ouverture étant proportionnel à l'accroissement de la température du gaz.
Le débit d'eau qui sort du tube d'alimentation 4 pour pénétrer dans le réservoir cylindrique 1 par un ensemble de trous 14 forés dans la pièce de liaison 13 augmente en fonction de l'ouverture de la soupape. Il en résulte une augmentation de la pression d'eau à l'intérieur du réservoir 1, qui provoque l'expulsion de cette eau par les orifices 3 percés dans la paroi latérale du réservoir.
Dans une version améliorée du dispositif, la perforation de la paroi latérale du réservoir peut être réalisée avec des trous de plus grand diamètre pourvus de bouchons filetés 10, au travers desquels sont forés.des trous calibrés de forme conique 11 qui assurent une meilleure dispersion du débit d'eau. De plus, pour limiter l'usure, qui pourrait résulter de la grande vitesse de l'eau, à la sortie de la sou-pape, le déflecteur 12 qui entoure la soupape sera avantageusement réalisé sous forme d'une pièce amovible en métal dur.
Le tube d'adduction d'eau 4 peut être réalisé par assemblage d'éléments de tubes d'acier raccordés entre eux
par des joints filetés, mais il peut aussi être constitué sous la forme d'un tube flexible monobloc gainé de fils d'acier, réalisé conformément aux dispositions prévues au brevet de
<EMI ID=11.1>
Dans le dispositif conforme à l'invention, l'ouverture de la soupape s'opère suivant une loi linéaire en fonction de la température moyenne atteinte par les cylindres 7 et 8 suivant la relation :
<EMI ID=12.1>
avec les notations :
<EMI ID=13.1>
<EMI ID=14.1>
<EMI ID=15.1>
Par ailleurs, en raison du flux de chaleur qui s'écoule à travers le métal des cylindres 7 et 8, ces cylindres prennent une température d'équilibre intermédiaire entre la température du gaz (T) et la température (T ) qui règne dans la partie supérieure du dispositif, de sorte que l'on peut écrire :
<EMI ID=16.1>
en désignant par p un coefficient numérique inférieur à l'unité.
<EMI ID=17.1> <EMI ID=18.1>
pour valeur numérique :
<EMI ID=19.1>
Pour que le dispositif remplisse parfaitement son rôle, il faut encore qu'en l'absence de toute intervention
<EMI ID=20.1>
constant.
Dans la mesure où aucune modification de réglage n'intervient, le débit gazeux qui remonte à travers le sondage a une valeur constante : Qo (Nm<3>/h) qui est fonction de la température T et des résistances aérodynamiques qui limitent l'écoulement du gaz.
Le fonctionnement du dispositif conforme à l'invention introduit dans le sondage un débit volumique de vapeur d'eau égal à :
q (kgA) / 0,8 (kg/Nm<3>) = 1,25 q (Nm<3>/h)
Ce débit se substitue à une partie du débit gazeux de sorte que l'on peut écrire :
<EMI ID=21.1>
Par ailleurs, les valeurs de H et h peuvent s'exprimer par les relations :
<EMI ID=22.1>
avec les notations :
<EMI ID=23.1>
d'eau est nul (m d'eau) ;
R q : perte de charge dans le tube 4, lorsque le débit
d'eau est égal à q (m d'eau) ;
ho : hauteur de charge à l'intérieur du réservoir 1, lorsque le débit d'eau est nul (m d'eau) ;
r q<2> : augmentation de la hauteur de charge nécessaire
pour forcer le passage de l'eau à travers les orifices 3 ou 11.
Compte tenu des relations (9) et (10), le terme V H - h peut s'exprimer par la formule :
<EMI ID=24.1>
Les formules (8) et (11) montrent que les grandeurs
<EMI ID=25.1>
bit q.
La forme des deux fonctions n'étant pas identique,
le rapport Q / V H - h ne peut pas rester rigoureusement constant.
Cependant, la valeur de ce rapport peut être maintenue dans des limites assez étroites, par un choix judicieux du diamètre du tube d'adduction d'eau 4 et des caractéristiques des orifices 3 ou 11 qui conditionnent les valeurs de R et r.
En pratique, on peut s'imposer que, pour les valeurs
<EMI ID=26.1>
relation
<EMI ID=27.1>
Si l'on tient compte du fait que pour les températures de gaz les plus élevées la valeur du rapport
<EMI ID=28.1>
à 0,6, il est facile de vérifier que pour toutes les valeurs de q comprises entre o et Ci __ la variation du rapport
<EMI ID=29.1>
On peut également constater que pour toutes les
<EMI ID=30.1>
<EMI ID=31.1> <EMI ID=32.1>
plication du dispositif conforme à l'invention sera de maintenir automatiquement la température du gaz dans un intervalle assez étroit, un peu en-dessous de la valeur théorique To.
La valeur de la précontrainte à réaliser pour que
<EMI ID=33.1>
miner en exprimant le fait que la dilatation thermique qui se produit lorsque la température des cylindres 7 et 8 passe
<EMI ID=34.1>
pour valeur :
<EMI ID=35.1>
doit être compensée par la résultante des déformations élastiques du métal des cylindres 7 et 8 et de l'ensemble des pièces qui relient le cylindre 8 à la base du tuyau d'adduction d'eau 4.
Compte tenu de la géométrie du dispositif, on peut admettre, en première approximation, que les déformations du cylindre 8 représentent les deux tiers de la résultante des déformations et, si l'on tient compte qu'au moment de l'ouverture de la soupape la tension de compression dans le cylindre 8 doit encore être suffisante pour contrebalancer la force qui s'exerce de haut en bas sous l'effet de la pression de l'eau contenue dans le tube 4, la tension de compression à appliquer au cylindre 8, à la température ambiante, peut s'exprimer par la relation :
<EMI ID=36.1>
avec les notations
M : module de Young de l'acier
S : section droite du cylindre 8 s : section utile de l'orifice inférieur du tube 4
<EMI ID=37.1>
en kg/mm .
A titre d'exemple, nous calculerons les valeurs de L et de ! dans le cas particulier d'un sondage d'environ
1.000 m de profondeur, avec une pression d'eau à la base
<EMI ID=38.1>
Si l'on s'impose que la soupape commence à s'ouvrir
<EMI ID=39.1>
atteigne 1 mm pour une température de gaz : T = 800[deg.]C, les équations (5) et (14) deviennent :
<EMI ID=40.1>
La première équation permet de définir la longueur du cylindre 8 :
<EMI ID=41.1>
La seconde équation fournit la valeur de la tension de compression qui doit être produite dans le cylindre 8 par le serrage de précontrainte :
<EMI ID=42.1>
Les calculs développés ci-dessus montrent que le dispositif conforme à l'invention constitue un moyen simple et automatique qui permet d'assurer le refroidissement des gaz de gazéification souterraine et de maintenir la température du tubage à une température égale ou légèrement infé-
<EMI ID=43.1>
<EMI ID=44.1>
��"�
et n'implique aucune transmission entre le fond et la surface. Il en résulte une très grande sécurité de fonctionnement et une absence de toute hystérésis entre la détection d'une variation de la température du gaz et l'action de correction apportée par le dispositif.
L'appareillage décrit ci-dessus et représenté aux dessins annexés peut, également, être utilisé pour le refroidissement des gaz provenant de gisements pétroliers exploités par combustion "in situ".
REVENDICATIONS
1. Procédé de refroidissement des gaz de gazéification souterraine des gisements de combustibles solides ou des gaz provenant de gisements pétroliers exploités par combustion "in situ", par mélange d'eau injectée au fond du sondage de reprise des gaz, caractérisé en ce que le débit d'eau de refroidissement est réglé automatiquement par une soupape dont l'ouverture est commandée directement par la dilatation d'un système de détection de la température du gaz, placé au fond du sondage et qui comporte deux métaux à coefficients de dilatation différents.
2. Appareillage pour la réalisation du procédé suivant
"Process and apparatus for cooling gases
underground gasification of solid fuel deposits or gas from oil deposits exploited by combustion "in situ".
the cooling of the underground gasification gas which consists in introducing, inside the gasification gas recovery boreholes, a tubular device in which water is circulated.
The apparatus intended to carry out this process consists of two concentric tubes:
- a tube closed at its lower part, the diameter of which is usually between 40 and 60% of the useful diameter of the borehole casing, and
- a smaller diameter inner tube used for the water supply, the latter being, if necessary, surrounded by a heat-insulating envelope which prevents the cooling water from undergoing excessive heating before reaching the bottom of the boring.
Other cooling devices use
the direct mixing of gas and coolant (usually water); by way of example, one of these devices is described in U.S. Patent No. 3,343,598.
However, when cooling by direct mixing is used, it is essential to have a sQr and rapid device, which makes it possible to adjust the cooling flow rate as required. Indeed, if this flow rate is too low, there is a risk of overheating of the tubing, if
this flow rate is too high, there is a risk of water penetration into the ground.
The method according to the present invention relates to a device for cooling by direct mixing, in which the flow of cooling water is automatically regulated.
i matically as a function of the temperature of the gasification gas, so that the mixture of gas and water vapor
<EMI ID = 1.1>
constant.
The water flow required to obtain this result can be determined by the relation:
<EMI ID = 2.1>
in which :
Q designates the gas flow (Nm <3> / h)
Cp the specific heat of the gas (kcal / Nm <3>)
<EMI ID = 3.1>
q cooling water flow rate (kg / h)
<EMI ID = 4.1>
(kcal / kg)
and i the enthalpy of a kg of water when it reaches the bottom of the
sounding (kcal / kg).
In the device according to the invention, the water flow is controlled by a valve whose opening e varies proportionally to the temperature difference.
<EMI ID = 5.1>
<EMI ID = 6.1>
the flow rate of such a valve can be calculated by the formula:
<EMI ID = 7.1>
with the notations:
d: valve diameter (m)
<EMI ID = 8.1>
the valve
g: gravity acceleration coefficient (9.81 m / sec <2>) H: head of head upstream of the valve (m of water) h: head of head downstream of the valve (m of water) .
<EMI ID = 9.1>
tion (1), it comes:
<EMI ID = 10.1>
We see that by a judicious choice of the geometry of the valve (d and �) and of the factor k, we can achieve the automatic adjustment of the water flow whatever the gas temperature, as long as Q and VH - h remain constant or they vary while remaining substantially proportional to each other.
In the device according to the invention, the opening of the water supply valve is controlled directly by the expansion of a gas temperature detection system placed at the bottom of the borehole and which comprises two metals with coefficients of different dilation.
The principle of the device is illustrated, by way of example only, in the accompanying drawings, in which:
Figure 1 shows a longitudinal section passing through the axis of the borehole; Figure 2 shows a longitudinal section, on a larger scale, through the water flow control device, and Figure 3 shows a cross section, through this same device, through the XY plane of Figure 1.
The device according to the invention essentially comprises a cylindrical metal tank 1 with a diameter generally between 40 and 60% of the useful diameter of the casing 2 and a length not exceeding 5 to 10 meters, the side wall of which is pierced with orifices of small diameter 3 and the upper bottom of which is crossed by a tube 4 intended for the water supply and which extends inside the tank. This tube ends with an orifice 5, against which a valve 6 is applied. The lower part of the reservoir has two coaxial metal cylinders 7 and 8, The outer cylinder 7 is made of a high coefficient of expansion refractory steel and the inner cylinder 8 of a low coefficient of expansion nickel steel (Invar type).
The valve 6 is integral with the low expansion cylinder 8 and when the device is in place, at room temperature, it is in the closed position and strongly applied to its seat by tightening the screw thread 9, by which the cylinder 7 is assembled. to a connecting piece 13 mounted at the base of the tank 1.
When the base of the tank heats up in contact with the gasification gases, which rise in the annular space which separates the tank 1 from the casing 2, the difference in expansion of the cylinders 7 and 8 leads to a reduction in the prestressing force which applied the valve to his seat. When this force falls below a predetermined limit, the valve begins to open, and if the temperature of cylinders 7 and 8 continues to rise, the opening of the valve increases, increasing the pressure. opening being proportional to the increase in gas temperature.
The water flow which leaves the supply tube 4 to enter the cylindrical tank 1 through a set of holes 14 drilled in the connecting piece 13 increases as a function of the opening of the valve. This results in an increase in the water pressure inside the tank 1, which causes the expulsion of this water through the orifices 3 drilled in the side wall of the tank.
In an improved version of the device, the perforation of the side wall of the tank can be carried out with holes of larger diameter provided with threaded plugs 10, through which are drilled calibrated holes of conical shape 11 which ensure better dispersion of the water. water flow. In addition, to limit the wear, which could result from the high speed of the water, at the outlet of the valve, the deflector 12 which surrounds the valve will advantageously be made in the form of a removable piece of hard metal. .
The water supply tube 4 can be produced by assembling elements of steel tubes connected together.
by threaded joints, but it can also be made in the form of a one-piece flexible tube sheathed with steel wires, produced in accordance with the provisions provided for in the
<EMI ID = 11.1>
In the device according to the invention, the opening of the valve takes place according to a linear law as a function of the average temperature reached by the cylinders 7 and 8 according to the relation:
<EMI ID = 12.1>
with the notations:
<EMI ID = 13.1>
<EMI ID = 14.1>
<EMI ID = 15.1>
Moreover, due to the heat flow which flows through the metal of the cylinders 7 and 8, these cylinders take an equilibrium temperature intermediate between the temperature of the gas (T) and the temperature (T) prevailing in the upper part of the device, so that we can write:
<EMI ID = 16.1>
by denoting by p a numerical coefficient less than unity.
<EMI ID = 17.1> <EMI ID = 18.1>
for numerical value:
<EMI ID = 19.1>
For the device to fulfill its role perfectly, it is also necessary that in the absence of any intervention
<EMI ID = 20.1>
constant.
Insofar as no adjustment modification occurs, the gas flow which rises through the borehole has a constant value: Qo (Nm <3> / h) which is a function of the temperature T and of the aerodynamic resistances which limit the gas flow.
The operation of the device according to the invention introduces into the sounding a volume flow rate of water vapor equal to:
q (kgA) / 0.8 (kg / Nm <3>) = 1.25 q (Nm <3> / h)
This flow replaces part of the gas flow so that we can write:
<EMI ID = 21.1>
In addition, the values of H and h can be expressed by the relations:
<EMI ID = 22.1>
with the notations:
<EMI ID = 23.1>
of water is zero (m of water);
R q: pressure drop in tube 4, when the flow
of water is equal to q (m of water);
ho: head of load inside tank 1, when the water flow is zero (m of water);
r q <2>: increase in the required load height
to force the passage of water through ports 3 or 11.
Taking into account relations (9) and (10), the term V H - h can be expressed by the formula:
<EMI ID = 24.1>
Formulas (8) and (11) show that the quantities
<EMI ID = 25.1>
bit q.
The form of the two functions is not identical,
the ratio Q / V H - h cannot remain strictly constant.
However, the value of this ratio can be kept within fairly narrow limits, by a judicious choice of the diameter of the water supply tube 4 and of the characteristics of the orifices 3 or 11 which condition the values of R and r.
In practice, we can assume that, for the values
<EMI ID = 26.1>
relationship
<EMI ID = 27.1>
If we take into account the fact that for the highest gas temperatures the value of the ratio
<EMI ID = 28.1>
at 0.6, it is easy to check that for all the values of q between o and Ci __ the variation of the ratio
<EMI ID = 29.1>
It can also be seen that for all
<EMI ID = 30.1>
<EMI ID = 31.1> <EMI ID = 32.1>
plication of the device according to the invention will be to automatically maintain the temperature of the gas within a fairly narrow range, a little below the theoretical value To.
The value of the prestressing to achieve so that
<EMI ID = 33.1>
undermine by expressing the fact that the thermal expansion which occurs when the temperature of cylinders 7 and 8 passes
<EMI ID = 34.1>
for value:
<EMI ID = 35.1>
must be compensated by the resultant of the elastic deformations of the metal of the cylinders 7 and 8 and of all the parts which connect the cylinder 8 to the base of the water supply pipe 4.
Taking into account the geometry of the device, it can be assumed, as a first approximation, that the deformations of cylinder 8 represent two-thirds of the resultant of the deformations and, if we take into account that when the valve is opened the compression tension in cylinder 8 must still be sufficient to counterbalance the force exerted from top to bottom under the effect of the pressure of the water contained in tube 4, the compression tension to be applied to cylinder 8 , at room temperature, can be expressed by the relation:
<EMI ID = 36.1>
with notations
M: Young's modulus of steel
S: straight section of cylinder 8 s: useful section of the lower orifice of tube 4
<EMI ID = 37.1>
in kg / mm.
As an example, we will calculate the values of L and of! in the specific case of a survey of approximately
1,000 m deep, with water pressure at the base
<EMI ID = 38.1>
If the valve is forced to start to open
<EMI ID = 39.1>
reaches 1 mm for a gas temperature: T = 800 [deg.] C, equations (5) and (14) become:
<EMI ID = 40.1>
The first equation allows to define the length of cylinder 8:
<EMI ID = 41.1>
The second equation provides the value of the compressive tension which must be produced in cylinder 8 by the preload tightening:
<EMI ID = 42.1>
The calculations developed above show that the device according to the invention constitutes a simple and automatic means which makes it possible to ensure the cooling of the underground gasification gases and to maintain the temperature of the casing at an equal or slightly lower temperature.
<EMI ID = 43.1>
<EMI ID = 44.1>
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and does not involve any transmission between the bottom and the surface. This results in very high operating safety and an absence of any hysteresis between the detection of a variation in the temperature of the gas and the corrective action provided by the device.
The apparatus described above and shown in the accompanying drawings can also be used for cooling gases from oil fields exploited by combustion "in situ".
CLAIMS
1. A method of cooling underground gasification gases from solid fuel deposits or gases from oil deposits exploited by combustion "in situ", by mixing water injected at the bottom of the gas recovery borehole, characterized in that the cooling water flow rate is automatically regulated by a valve whose opening is controlled directly by the expansion of a gas temperature detection system, placed at the bottom of the borehole and which comprises two metals with different expansion coefficients.
2. Apparatus for carrying out the following process