FR2568494A1

FR2568494A1 - Process for the elimination of fluid industrial wastes

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Publication number: FR2568494A1
Application number: FR8412148A
Authority: FR
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1984-07-31
Filing date: 1984-07-31
Publication date: 1986-02-07

Abstract

The invention relates to a process for the elimination of fluid industrial wastes, consisting in localising a porous permeable subterranean formation which, before fluid has been removed therefrom, contains in its pores fluid at a pressure which is less than the normal hydrostatic pressure for this depth of the said ground formation in the zone, and in pouring industrial fluid into the said ground formation at a rate such that the said fluid pressure never exceeds the said normal hydrostatic pressure.

Description

La présente invention concerne un procédé d'élimination de déchets industriels fluides et elle a trait plus particulièrement à la décharge souterraine de déchets liquides toxiques. The present invention relates to a method for disposing of fluid industrial waste and relates more particularly to the underground discharge of toxic liquid waste.

Des sous-produits indésirables de notre société industrielle sont les déchets liquides toxiques. Ces déchets liquides toxiques doivent être éliminés par des moyens sûrs. Undesirable by-products of our industrial society are toxic liquid wastes. These toxic liquid wastes must be removed by safe means.

Cependant, dans la plupart des cas, il apparat qu'on ne dispose pas de tels moyens d'élimination qui soient commodément disponibles. Dans certains cas, on a placé les déchets dans des barils scellés au goudron et on les a enfouis dans des fosses peu profondes, ou bien on les a déversés jusqu'au fond de l'océan ou introduits par pompage dans des puits peu profonds. Cela semble satisfaisant tant que les-barils ne commencent pas à fuir ou bien tant que des fluides déplacés, ou même les déchets proprement dits, ne sont pas transférés par effet de pompage dans des terrains aquifères ou jusqu'en surface.However, in most cases, it appears that such disposal means are not available which are conveniently available. In some cases, waste was placed in tar-sealed barrels and buried in shallow pits, or dumped to the ocean floor or pumping into shallow wells. This seems satisfactory as long as the drums do not start to leak or until the displaced fluids, or even the actual waste, are not pumped into aquifers or to the surface.

En ce qui concerne l'art antérieur, le domaine qui se rapproche peut être le plus de cette invention est celui de l'élimination des saumures d'eau salée dans des installations pétrolières. Une information typique correspondant à ce domaine est contenue dans un article intitulé "Salt Water Disposal Wells, Zones of Interest, and Production Company Viewpoints in the Tri- State Area of Texas, Oklahoma and Kansas" de D.W. Holland, "Cities Service Oil
Company", Guymon, Oklahoma, présenté au "Heart of America Drilling and Production Institute", 8 et 9 février 1972,
Garden City, Kansas. Le chapitre concernant les "zones d'intérêt futur" des pages 5 et 6 énumère des zones possibles d'évacuation et donne des indications de profondeur et de taux de décharge.As far as the prior art is concerned, perhaps the closest approximation of this invention is the elimination of saltwater brines in petroleum installations. Typical information for this area is contained in an article entitled "Salt Water Disposal Wells, Areas of Interest, and Production Company Viewpoints in the Tri-State Area of Texas, Oklahoma and Kansas" by DW Holland, "Cities Service Oil
Company ", Guymon, Oklahoma, presented at the Heart of America's Drilling and Production Institute, February 8-9, 1972,
Garden City, Kansas. The chapter on "Areas of Future Interest" on pages 5 and 6 lists possible areas of evacuation and gives indications of depth and discharge rates.

Des zones à une pression inférieure à la normale sont décrites dans un article "Oil and Gas in Reservoirs with Subnormal Pressures" de Dickey et Cox, "The American
Association of Petroleum Geologists Bulletin", volume 61, n" 12 (décembre 1977), pages 2f34-2142. Areas with less than normal pressure are described in an article "Oil and Gas in Reservoirs with Subnormal Pressures" by Dickey and Cox, "The American
Association of Petroleum Geologists Bulletin ", Vol. 61, No. 12 (December 1977), pages 2f34-2142.

La présente invention concerne un système et un procédé d'élimination de déchets fluides et notamment de déchets liquides toxiques ou radioactifs. On assure en premier la localisation de couches souterraines perméables, poreuses et appropriées qui, avant que du fluide ait été enlevé de celles-ci, présentent dans les pores une pression fluidique qui est inférieure à la pression hydrostatique normale de l'eau pour cette profondeur de terrain dans cette zone. Cela peut être appelé un réservoir sous-pressurisé hermétique. Des déchets fluides industriels sont ensuite déversés par gravité dans lesdites couches de terrain à un débit tel que la pression fluidique ne dépasse jamais la pression hydrostatique normale. The present invention relates to a system and a method for disposing of fluid waste and in particular toxic or radioactive liquid waste. The first is the location of permeable, porous and suitable underground layers which, before fluid has been removed from them, present in the pores a fluidic pressure which is less than the normal hydrostatic pressure of the water for that depth. of land in this area. This can be called a hermetic pressurized tank. Industrial fluid waste is then discharged by gravity into said soil layers at a rate such that the fluid pressure never exceeds the normal hydrostatic pressure.

On ne connaît pas dans l'art antérieur de moyens permettant de rechercher et de trouver un réservoir souterrain hermétique par détection d'une pression fluidique anormalement basse, puis par forage d'un puits de décharge dans celui-ci, et par décharge de fluide d'une manière et à un débit ne perturbant pas l'herméticité. It is not known in the prior art means for searching and finding a hermetic underground reservoir by detecting an abnormally low fluidic pressure, then by drilling a discharge well therein, and by fluid discharge. in a manner and at a rate that does not disturb the hermeticity.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mis en évidence dans la description qui va suivre, faite en référence au dessin unique annexé qui représente un diagramme pression-profondeur du champ de gaz de Hugoton dans le Kansas. Other features and advantages of the invention will be highlighted in the following description, made with reference to the accompanying single drawing which shows a pressure-depth diagram of the Hugoton gas field in Kansas.

Le problème de l'élimination des déchets liquides, en particulier des déchets toxiques ou radioactifs, est devenu un problème technique et politique important de notre société. Si le problème technique de l'élimination sûre des déchets dans le temps peut être résolu, le problème politique est bien plus délicat. The problem of disposing of liquid waste, especially toxic or radioactive waste, has become an important technical and political problem of our society. If the technical problem of the safe disposal of waste over time can be solved, the political problem is much more delicate.

Des déchets liquides peuvent être éliminés de façon sûre en utilisant des réservoirs sous-pressurisés, qui correspondent à un phénomène naturel, comme un lieu de dépôt des déchets. Du fait qu'il est sousrpressurisé, c'est-àdire qu'il est placé à une pression inférieure à la pression hydrostatique normale correspondant à sa profondeur, le réservoir indique qu'il est, et qu'il a été, isolé de façon étanche de la surface et des réservoirs pressurisés l'environnant normalement. Le fait que la pression fluidique dans les pores est inférieure à la pression hydrostatique normale pour sa profondeur, établit une évidence prima facie que lesdites couches de terrain sont isolées de façon étanche. Liquid waste can be safely disposed of by using pressurized reservoirs, which correspond to a natural phenomenon, such as a place of deposit of waste. Because it is underpressurized, that is, it is placed at a pressure lower than the normal hydrostatic pressure corresponding to its depth, the reservoir indicates that it is, and has been, isolated watertight surface and pressurized tanks surrounding it normally. The fact that the fluid pressure in the pores is less than the normal hydrostatic pressure for its depth, establishes prima facie evidence that said soil layers are sealed.

L'âge de l'étanchéité ne peut pas toujours être déterminé mais on peut dire que les âges sont de l'ordre géologique, c'est-à-dire compris entre des centaines de milliers et des millions d'années, et on peut par conséquent considérer qu'on a affaire à une étanchéité "permanente" à notre époque et que du fluide ne peut ni pénétrer ni s'échapper.The age of the watertightness can not always be determined but we can say that the ages are of the geological order, that is to say between hundreds of thousands and millions of years, and we can therefore consider that we are dealing with a "permanent" seal in our time and that fluid can not penetrate or escape.

Conformément à la présente invention, on fore un puits dans un tel réservoir sous-pressurisé et on assure son revêtement avec un cuvelage correct et du ciment. On décharge ensuite les déchets liquides dans le réservoir dans des conditions telles que la pression effective du fluide dans le réservoir ne dépasse jamais la pression- hydrostatique normale. Cela fait en sorte que l'étanchéité naturelle ne soit jamais perturbée ou supprimée. According to the present invention, a well is drilled in such a pressurized reservoir and its coating is ensured with a correct casing and cement. The liquid waste is then discharged into the reservoir under conditions such that the effective pressure of the fluid in the reservoir never exceeds the normal hydrostatic pressure. This ensures that the natural seal is never disturbed or removed.

Conformément à la présente invention, ce réservoír sous-pressurisé et à étanchéité permanente. peut être rempli de déchets liquides jusqu'à ce que le réservoir se rapproche de la pression normale sans perturbation du joint étanche ou sans déplacement de fluide à l'extérieur du joint étanche. According to the present invention, this reservoír under-pressurized and permanently sealed. may be filled with liquid waste until the reservoir approaches normal pressure without disturbance of the seal or fluid movement outside the seal.

Par "pression normale", on entend une pression égale à la pression exercée par les fluides du terrain depuis la surface jusqu'à la profondeur spécifique à l'intérieur du réservoir sous-pressurisé. Elle est déterminée par multiplication de la profondeur par le gradient de pression (Pa/m) de la colonne d'eau du terrain. Cela peut être obtenu en extrayant des échantillons d'eau du terrain et en déterminant leur densité. Un gradient hydrostatique "normal" est supposé être égal à 10750Pa/m, qui correspond à un total de 100 parties par millier de saumure solide dissoute (TDS) ou à une densité de 1,075 g/cm3.Bien que cela corresponde à une bonne valeur moyenne, la pression calculée pour un trou peu profond peut 5 s'avérer trop élevée jusqu'à 3,5 x 105 Pa alors que, pour un trou profond avec des saumures plus lourdes, elle peut atteindre une valeur de 10,5 x 105 Pa considérée comme trop faible. En conséquence, on doit effectuer une détermination précise de la densité mesurée de l'échantillon de fluide prélevé dans les couches de terrain dans lesquelles on doit décharger du fluide. Pour obtenir la sécurité nécessaire, une zone de pression anormalement basse doit être située en-dessous d'une zone supérieure qui contient dans ses pores du fluide à une pression hydrostatique normale.Cela évite certains effets se manifestant à proximité de la surface (par exemple à une profondeur de quelques dizaines de mètres), ces effets étant par exemple provoqués par des nappes d'eau supérieure qui pourraient établir une basse pression sans créer un joint étanche à la pression.By "normal pressure" is meant a pressure equal to the pressure exerted by the field fluids from the surface to the specific depth inside the pressurized reservoir. It is determined by multiplication of the depth by the pressure gradient (Pa / m) of the water column of the ground. This can be achieved by extracting water samples from the field and determining their density. A "normal" hydrostatic gradient is assumed to be equal to 10750Pa / m, which corresponds to a total of 100 parts per thousand dissolved solid brine (TDS) or a density of 1.075 g / cm3. Although this corresponds to a good value mean, the pressure calculated for a shallow hole may be too high up to 3.5 x 105 Pa, whereas for a deep hole with heavier brines it may reach a value of 10.5 x 105 Pa considered too weak. Accordingly, an accurate determination of the measured density of the fluid sample taken from the soil layers in which fluid is to be discharged must be made. To obtain the necessary safety, an abnormally low pressure zone must be located below an upper zone which contains fluid in its pores at a normal hydrostatic pressure. This avoids certain effects occurring near the surface (for example at a depth of a few tens of meters), these effects being for example caused by upper water sheets that could establish a low pressure without creating a seal to the pressure.

La décharge classique effectuée par l'intermédiaire d'un puits d'injection dans un réservoir à pression normale déplace des fluides du réservoir pouvant librement s'écouler, éventuellement jusqu'à la surface et qui peuvent polluer les fluides naturels et pénétrer éventuellement-dans la channe alimentaire. Cependant, même si, lors de l'utilisation de la présente invention, les joints étanches d'un réservoir sous-pressurisé. étaient rompus, par exemple à cause de forages incorrectement cimentés ou abandonnés ou bien sous l'influence d'évènements tectoniques, les fluides à la pression normale provenant des réservoirs environnants passeraient simplement par la zone de rupture jusqu'à ce que les pressions deviennent normales. Il ne se manifesterait aucune tendance à un refoulement des déchets liquides hors du réservoir. The conventional discharge through an injection well into a normal pressure vessel displaces fluids from the reservoir which can freely flow, possibly to the surface and which can pollute natural fluids and eventually enter-in. the food channel. However, even if, when using the present invention, the seals of a pressurized tank. were broken, for example because of improperly cemented or abandoned drilling or under the influence of tectonic events, fluids at normal pressure from surrounding reservoirs would simply pass through the rupture zone until pressures became normal . There would be no tendency for liquid waste to be pushed back out of the tank.

Des réservoirs sous-pressurisés sont connus dans le monde et il en existe notamment largement en Amérique du Nord. Un exemple d'une zone sous-pressurise est lue champ de gaz de Hugoton, choisi ici à cause de la disponibilité des données pouvant être extraites commodément d'un article de John W. Mason "Hugoton Panhandle Field, Kansas, Oklahoma and Texas", publié en 1968 par la "American Association Of
Petroleum Geologists" dans "Natural Gases of North America, volume two,,.Le champ a une étendue de 2,2 millions d'hectares. Des puits sont répartis suivant une grille de 1,6 km c'est-à-dire avec un espacement cqrrespondant à 260 hectares.Pressurized reservoirs are known throughout the world and there are in particular widely in North America. An example of a pressurized zone is the Hugoton gas field chosen here because of the availability of data that can be conveniently extracted from an article by John W. Mason "Hugoton Panhandle Field, Kansas, Oklahoma and Texas" , published in 1968 by the American Association Of
Petroleum Geologists "in" Natural Gases of North America, Volume Two. "The field has an area of 2.2 million hectares. Wells are distributed along a grid of 1.6 km that is to say with a spacing corresponding to 260 hectares.

Dans le Groupe Chase de l'étage Wolfcampien du Permien, des pierres à chaux, des dolomites et des ardoises sont productrices de gaz.In the Chase Group of the Permian Wolfcampian Floor, limestone, dolomites and slates produce gas.

Dans la partie de la zone correspondant au Kansas, les valeurs moyennes suivantes s'appliquent :
perméabilité 5 md
porosité 14 %
saturation en eau 25 %
épaisseur de production 13,5 m
La pression initiale du réservoir a été de 34 x 105Pa et la pression du réservoir en 1965 a été de 25 x 105Pa.In the part of the Kansas area, the following mean values apply:
permeability 5 md
porosity 14%
water saturation 25%
production thickness 13.5 m
The initial pressure of the tank was 34 x 105 Pa and the tank pressure in 1965 was 25 x 105 Pa.

La pression à l'heure actuelle est encore inférieure. La température moyenne dans la formation de terrains est de 320C et la profondeur moyenne jusqu'à la formation est de 700 m. L'ardoise, l'anhydrite et les sels de la formation de Wellington établissent le joint étanche supérieur et la perméabilité réduite, tandis que l'eau de fond établit les joints latéraux et inférieur.The pressure at the moment is still lower. The average temperature in the formation of ground is of 320C and the average depth until the formation is 700 m. Slate, anhydrite and salts of the Wellington Formation establish upper seal and reduced permeability, while bottom water establishes side and bottom seals.

Si on admet les valeurs moyennes précitées pour le Groupe Chase et si on suppose que la nappe d'eau est placée à la base du Chase, le régime de pressions peut être représenté comme sur la figure 1 ci-jointe. Si des déchets liquides étaient injectés dans le réservoir de façon à faire monter la pression de 25 x 105Pa jusqu'à 81 x 105Pa, qui est encore bien inférieure à la -pression hydrostatique "normale1, de 88 x 105Pa, la quantité de déchets injectés par puits pourrait être calculée par la formule suivante

où:
D désigne le volume de déchets, en unités de 28,3 1.Assuming the above average values for the Chase Group and assuming that the water table is placed at the base of the Chase, the pressure regime can be represented as in Figure 1 attached. If liquid waste was injected into the tank to raise the pressure from 25 x 105 Pa up to 81 x 105 Pa, which is still well below the "normal" hydrostatic pressure of 88 x 105 Pa, the amount of waste injected per well could be calculated by the following formula

or:
D is the volume of waste, in units of 28.3 1.

h désigne l'épaisseur du réservoir en unités de 0,3 m
A désigne la section de réservoir, en unités de 0,09 m2
désigne la porosité (décimale)
CL désigne la compressibilité de liquide, en unités de
28,3 1 / 28,3 1
5
0,07 x 10Pa
Sw désigne la saturation en eau (décimale)
SG désigne la saturation en gaz (décimale)
E v désigne le coefficient de dilatation volumique en
unités de 28,3 l x 28,3 l
C
P désigne la pression en 0,07. 105Pa
z est un coefficient de correction pour gaz CH4
T désigne la-température, en R
Pour le réservoir de Hugoton
h = 13,5 m (effective, sur 150 m au total)
A = 25,6 ha x 43.560 x 0,09 m2/0,4 ha = 2,51 x 106 m2
volume pores
# = 0,14 ( volume pores )
volume pores
Le volume du réservoir est h A = 1255,5 x 106 x 28,3 1
6
Le volume des pores est h A.# = 175,77 x 10 x 28,3 1
Et
Sw = 0,25
SG = 0,75
Et
6
le volume de saumure est h A # Sw = 43,94 x 106 x 28,3 1
6
le volume de gaz est h A SG = 131,83 x 10 x 28,3 1
Et
P1 = 25,2 x 105 Pa
P2 = 81,2 x 105 Pa
5
P2 - P1 = 56 x 10 Pa
T2 - T1 = 32 C = 500 R
CL = 3 x 106 x 28,3 1/28,3 1
0,07.10Pa
6
Ev = 400 x 106 28,3 1/28,3 l
R
Z1 = 0,96
Z2 = 0,90
T2/T1 = 1
P1/P2 = 0,31
Z2 /Z1 = 0,94 460 R = - 20 C
En conséquence, pour ces hypothèses de calcul,

h denotes the thickness of the tank in units of 0.3 m
A denotes the tank section, in units of 0.09 m2
denotes the porosity (decimal)
CL denotes the compressibility of liquid, in units of
28.3 1 / 28.3 1
5
0.07 x 10Pa
Sw denotes water saturation (decimal)
SG is gas saturation (decimal)
E v denotes the coefficient of voluminal expansion in
units of 28.3 lx 28.3 l
C
P is the pressure in 0.07. 105Pa
z is a correction coefficient for CH4 gas
T denotes the temperature, in R
For the Hugoton tank
h = 13.5 m (effective, over 150 m in total)
A = 25.6 ha x 43.560 x 0.09 m2 / 0.4 ha = 2.51 x 106 m2
pore volume
# = 0.14 (pore volume)
pore volume
The volume of the tank is h A = 1255.5 x 106 x 28.3 1
6
The pore volume is h A. # = 175.77 x 10 x 28.3 1
And
Sw = 0.25
SG = 0.75
And
6
the brine volume is h A # Sw = 43.94 x 106 x 28.3 1
6
the volume of gas is h A SG = 131.83 x 10 x 28.3 1
And
P1 = 25.2 x 105 Pa
P2 = 81.2 x 105 Pa
5
P2 - P1 = 56 x 10 Pa
T2 - T1 = 32 C = 500 R
CL = 3 x 106 x 28.3 1 / 28.3
0,07.10Pa
6
Ev = 400 x 106 28.3 1 / 28.3 l
R
Z1 = 0.96
Z2 = 0.90
T2 / T1 = 1
P1 / P2 = 0.31
Z2 / Z1 = 0.94460 R = -20 C
As a result, for these calculation assumptions,

<tb> on <SEP> obtiendrait, <SEP> dans <SEP> un <SEP> exemple
<tb> D <SEP> = <SEP> 45-27,9-106-0,14 <SEP> {0,25 3.10-6 <SEP> 800 <SEP> [1 <SEP> + <SEP> 400.10-6.0] <SEP> +
<tb> 0,75 <SEP> 1~(360) <SEP> (0,90) <SEP> (550 <SEP>
<tb> <SEP> 1160 <SEP> 0,96 <SEP> 550
<tb>
D = 93,58 x 106 x 30 litres/puits ou D = 16,67 x 106 x 160 1/puits
Si le puits de réservoir contient intégralement du liquide (S = 1)
w
D = 75 139 x 160 1/puits
Si le puits du réservoir contient intégralement du gaz (SG=1)
D = 22,2 x 106 x 160
l/puits
Cette différence est imputable à la différence de compressibilité de la saumure et du méthane. Pour injecter de gros volumes de liquide dans un réservoir rempli de liquide, il est nécessaire d'avoir un réservoir plus épais et plus poreux, c'est-à-dire un plus grand volume de pores par puits, que dans cet exemple de calcul.<tb> on <SEP> would get, <SEP> in <SEP> a <SEP> example
<tb> D <SEP> = <SEP> 45-27.9-106-0.14 <SEP> {0.25 3.10-6 <SEP> 800 <SEP> [1 <SEP> + <SEP> 400.10- 6.0] <SEP> +
<tb> 0.75 <SEP> 1 ~ (360) <SEP> (0.90) <SEP> (550 <SEP>
<tb><SEP> 1160 <SEP> 0.96 <SEP> 550
<Tb>
D = 93.58 x 106 x 30 liters / well or D = 16.67 x 106 x 160 1 / well
If the tank well contains all of the liquid (S = 1)
w
D = 75 139 x 160 1 / well
If the tank well contains all gas (SG = 1)
D = 22.2 x 106 x 160
/ well
This difference is due to the difference in compressibility of brine and methane. To inject large volumes of liquid into a tank filled with liquid, it is necessary to have a thicker and more porous reservoir, that is to say a larger volume of pores per well, than in this example of calculation .

I1 va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au procédé décrit et représenté, sans sortir du cadre de l'invention. It goes without saying that many modifications can be made to the method described and shown without departing from the scope of the invention.

Claims

A method of disposing of fluid industrial waste, characterized in that a porous permeable subterranean formation is located which, before fluid has been removed from it, contains fluid in its pores at a pressure which is lower than at normal hydrostatic pressure for this depth of said land formation in this zone, in that industrial fluid is discharged into said land formation at a rate such that said fluidic pressure never exceeds said normal hydrostatic pressure.

2. A method of disposing of fluid waste, characterized in that said waste is poured into wells drilled in permeable formations of ground originally containing in the pores of the fluid at a pressure which is lower than a normal hydrostatic pressure .

3. Method according to one of claims 1 or 2, characterized in that said formation of ground is located below an upper zone which contains in its pores fluid at a normal hydrostatic pressure.

Method according to claim 1 or 2, characterized in that the normal hydrostatic pressure is determined by measuring the density of a fluid sample taken from the field formation and using this density and the depth of the ground formation for get the normal hydrostatic pressure.