FR3058823A1 - Systeme pedagogique comportant un module de sous-sol. - Google Patents

Abstract

Système (1) à visée pédagogique, relatif aux techniques d'extraction pétrolières, à la séquestration de carbone et/ou à la géothermie, comportant : - Un module de sous-sol (31) d'échelle réduite, comportant au moins un puits (27 ; 36) et/ou permettant la réalisation d'au moins un puits par forage, comportant au moins un composé à extraire, notamment un composé représentatif d'un hydrocarbure, - au moins un moyen permettant une extraction continue, notamment gravitaire, dudit au moins un composé pendant une phase représentative de l'exploitation du puits.

Description

© N° de publication : 3 058 823 (à n’utiliser que pour les commandes de reproduction)

©) N° d’enregistrement national : 16 60959 ® RÉPUBLIQUE FRANÇAISE

INSTITUT NATIONAL DE LA PROPRIÉTÉ INDUSTRIELLE

COURBEVOIE © IntCI⁸ : G 09 B 25/02 (2017.01), E 21 B41/00

DEMANDE DE BREVET D'INVENTION A1

©) Date de dépôt : 14.11.16. ©) Priorité :	© Demandeur(s) : DRIF FLORIAN WALYD—FR.
	@ Inventeur(s) : DRIF FLORIAN WALYD.
©) Date de mise à la disposition du public de la demande : 18.05.18 Bulletin 18/20.
©) Liste des documents cités dans le rapport de recherche préliminaire : Se reporter à la fin du présent fascicule
(© Références à d’autres documents nationaux apparentés :	® Titulaire(s) : DRIF FLORIAN WALYD.
©) Demande(s) d’extension :	® Mandataire(s) : CABINET NONY.

SYSTEME PEDAGOGIQUE COMPORTANT UN MODULE DE SOUS-SOL

FR 3 058 823 - A1

Système (1) à visée pédagogique, relatif aux techniques d'extraction pétrolières, à la séquestration de carbone et/ou à la géothermie, comportant:

- Un module de sous-sol (31) d'échelle réduite, comportant au moins un puits (27; 36) et/ou permettant la réalisation d'au moins un puits par forage, comportant au moins un composé à extraire, notamment un composé représentatif d'un hydrocarbure,

- au moins un moyen permettant une extraction continue, notamment gravitaire, dudit au moins un composé pendant une phase représentative de l'exploitation du puits.

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SYSTEME PEDAGOGIQUE COMPORTANT UN MODULE DE SOUS-SOL

La présente invention concerne les systèmes pédagogiques relatifs aux techniques d'extraction pétrolière, à la séquestration de carbone et/ou à la géothermie.

Il a déjà été proposé de nombreux dispositifs aidant à l’entraînement d’opérateurs dans le domaine pétrolier.

US 3 971 926 divulgue ainsi un simulateur relatif aux techniques de forage d’un puits de pétrole, comportant un panneau de contrôle du forage relié à un calculateur. Un tel dispositif, très spécialisé, n’est pas adapté à un large public.

Un autre dispositif d’entraînement hautement spécialisé est décrit dans le brevet US 8 727 037.

US 4 251 217 décrit un dispositif similaire avec un réservoir pressurisé et un jeu de vannes. Les possibilités pédagogiques restent limitées.

US 2003/0139916 divulgue un simulateur tournant sur un ordinateur pour l’enseignement des techniques de forage ; le recours exclusif à un ordinateur peut rendre l’enseignement peu vivant.

La publication US 2012/0221308 fait intervenir des consoles qui aident à l’affichage d’informations, mais le contenu pédagogique reste hautement spécialisé.

Il existe un besoin pour faciliter l'enseignement dans ces domaines, et notamment disposer de moyens pédagogiques permettant de s’adresser à un large public, pas nécessairement hautement spécialisé, et offrant de nombreuses possibilités sur le plan des sujets pouvant être abordés.

L’invention vise à répondre à ce besoin grâce à, selon un premier de ses aspects, un système à visée pédagogique, relatif aux techniques d’extraction pétrolières, à la séquestration de carbone et/ou à la géothermie, comportant :

- Un module de sous-sol d’échelle réduite, comportant au moins un puits et/ou permettant la réalisation d’au moins un puits par forage, comportant au moins un composé à extraire, notamment un composé représentatif d’un hydrocarbure,

- au moins un moyen permettant une extraction continue, notamment gravitaire, de préférence sans intervention manuelle, dudit au moins un composé pendant une phase représentative de l’exploitation du puits.

Le système peut notamment se présenter sous forme modulaire, avec notamment un module d’extraction comportant ledit moyen. Ce dernier peut notamment appartenir à un module d’extraction rapporté sur le module de sous-sol ou en variante faire partie intégrante du module de sous-sol.

L'invention constitue un support pédagogique particulièrement efficace pour l'enseignement des notions indispensables à la compréhension des techniques d'extraction pétrolière, de séquestration de carbone et/ou de géothermie.

Une extraction gravitaire repose sur une différence de niveau entre le module de sous-sol et un point où le composé à extraire est amené, hors du module de sous-sol, autrement dit un siphonage.

L’invention comporte avantageusement un moyen pour maintenir un certain niveau de fluide dans le module de sous-sol sans intervention manuelle. L’extraction peut dans ce cas se faire en continue, sans intervention manuelle, tout en étant gravitaire.

Le système peut comporter un capteur de niveau du fluide extrait au sein du module de sous-sol. Lorsque le niveau de fluide descend sous un certain seuil, une injection de liquide est réalisée dans le module de sous-sol à partir d’une source de fluide pour compenser la quantité déjà extraite.

La source de fluide peut être une arrivée d’eau domestique, par exemple un robinet, ou une pompe placée entre le récipient qui recueille le flux extrait de manière gravitaire, donc placé en dessous du module de sous-sol, et un injecteur gravitaire. Cette pompe peut ainsi permettre de remplir l’injecteur gravitaire quand cela est nécessaire.

Le module de sous-sol peut également comporter au moins un moyen permettant une extraction non gravitaire.

L’invention peut avantageusement présenter l'une au moins des caractéristiques préférentielles mais optionnelles suivantes, prises isolément ou en combinaison :

- le module de sous-sol fonctionne en système ouvert ; le système peut suivre la définition thermodynamique d’un système ouvert : échange d’énergie et de matière avec l’extérieur. Il est par exemple possible d’apporter de la chaleur extérieure dans le système ou d’y rajouter des fluides, présents ou non initialement ;

- le système comporte au moins deux moyens, notamment différents, permettant une extraction gravitaire ou non, continue ou non ; cette configuration peut s’appliquer sur un système ouvert, fermé ou isolé (par la présence de batteries incorporées) ; il est par exemple possible d’utiliser au moins deux moyens non motorisés (par exemple, deux moyens d’aspiration, ou deux moyens d’injection, ou un moyen d’aspiration avec un moyen d’injection), ou au moins deux moyens motorisés (par exemple, deux moyens d’aspiration, ou deux moyens d’injection, ou un moyen d’aspiration avec un moyen d’injection), ou un moyen motorisé avec un système d’injection de gaz dit « gas lift » pour permettre la production d’un puits ;

- le système comporte au moins un moyen au moins partiellement contenu au sein du module de sous-sol, notamment un moyen au moins partiellement immergé, permettant une extraction gravitaire ou non, continue ou non ; par exemple, le système peut comporter au moins un moyen d’aspiration immergé et/ou au moins un moyen d’injection immergé. De tels moyens augmentent en réalisme le mécanisme de production d’un puits car des pompes sont usuellement installées à l’intérieur du puits ; l’injection de gaz de type « gas lift » est un moyen d’injection immergé car le gaz est injecté dans un espace annulaire du puits et est transféré en profondeur dans le conduit de production appelé « tubing » par la présence de communications entre l’espace annulaire et le tubing ;

- le système comporte au moins un outil de forage pour réaliser au moins un puits par forage du module de sous-sol ; un tel outil rend la séance pédagogique particulièrement vivante et facilite l’enseignement des techniques et risques inhérents à un forage ;

- l’outil de forage comporte au moins un injecteur, notamment motorisé, d’au moins un fluide dans le puits foré ou en cours de forage, notamment un fluide liquide tel que de l’eau, ou un fluide de coupe/perçage, ou un fluide liquide non-newtonien et/ou thixotrope et/ou rhéofluidifiant, tel qu’une solution à base d’eau et/ou d’huile comportant notamment tous additifs habituellement utilisés pour ajuster la densité et/ou la viscosité des fluides de forage, ou une solution à base de « Ketchup », ou un fluide comportant au moins de l’eau, du sable et de l’argile, ou un fluide comportant au moins une charge minérale telle que de la bentonite, ou une solution à base d’amidon de maïs, ou une solution comportant au moins un solvant polaire et/ou un solvant apolaire et/ou un solvant visqueux (glycérol, maltose, sirop de blé, sirop de maïs, ou sauce de soja sucrée par exemple) et/ou un polymère, notamment un polymère à base de polyacrylamide (Separan, PAM, HP AM, ou FLOP AM par exemple), un polymère à base de polyéther (poly(éthylène glycol), poly(oxyéthylène), poly(propylène glycol), ou poly(oxypropylène) par exemple), un polymère à base de polysaccharide (xanthane, ou acide hyaluronique par exemple), du polystyrène, du polyisobutylène, ou un fluide gazeux comportant au moins de l’air, et/ou de l’azote, et/ou de l’hélium, et/ou du dioxyde de carbone ; cela permet de se rapprocher de la réalité car de nombreux forages pétroliers s’accompagnent d’une telle injection ; cette injection pendant la phase de forage permet notamment de faire remonter en surface les éléments du module de sous-sol forés, et/ou de contrebalancer la pression de chaque compartiment traversé pendant le forage, afin d’éviter un accident de surface dit de « blowout » où le fluide contenu dans un compartiment du module de sous-sol remonterait à la surface de manière incontrôlée. Le choix de la densité du fluide injecté dépend des propriétés des matériaux à faire remonter en surface (taille, densité, etc.), de la profondeur du forage, ainsi que de la pression au sein de chaque compartiment traversé. L’aspect viscosité permet de garder en suspension les éléments solides à faire remonter en surface, alors que l’aspect densité est préférentiellement utilisé pour maintenir une pression dans le puits foré légèrement supérieure aux compartiments forés. Le système pédagogique permet notamment l’enseignement du concept de balance des pressions entre un réservoir (simulé par un compartiment du module de sous-sol) et le puits foré, car il est possible de réaliser un simple calcul de pression hydrostatique pour estimer s’il est nécessaire d’ajuster la densité du fluide injecté. Par ailleurs, la vérification du niveau du bac de stockage du fluide injecté permet également une estimation empirique ; si le niveau baisse trop vite, alors le puits foré est en forte surpression par rapport au compartiment traversé car presque tout le fluide injecté pendant le forage part dans le compartiment ; si le niveau augmente, alors du fluide contenu dans le compartiment se retrouve en surface, ce qui signifie qu’il faut augmenter la densité du fluide injecté ;

- le système pédagogique comporte au moins un module de production, au moins partiellement en surface du module de sous-sol, à côté de celui-ci ou immergé, permettant de traiter un flux extrait du module de sous-sol ou une fraction de celui-ci, ce moyen de production comportant notamment un séparateur et/ou un compresseur de gaz ; par exemple, il peut s’agir d’un séparateur ayant au moins une de ses sorties fonctionnant de manière continue ne nécessitant pas d’intervention manuelle pour purger ladite sortie ; par exemple, il peut s’agir d’un compresseur de gaz pour séquestrer un gaz ;

- le module de sous-sol comporte au moins un élément réalisé par une technique de fabrication additive, de préférence par impression 3D ;

- le module de sous-sol comporte au moins un cloisonnement qui simule une faille géologique et/ou une compartimentation géologique/réservoir, réalisé par impression

3D, notamment un cloisonnement étanche comportant une ou plusieurs ouvertures prédéfinies simulant une faille passante ; il est par exemple possible de faire communiquer au moins deux compartiments entre eux et de montrer ainsi l’influence d’une injection d’un fluide dans l’un des compartiments sur l’autre compartiment ;

- le module de sous-sol comporte au moins un milieu poreux, qui contient ou non ledit au moins un composé à extraire, réalisé au moins partiellement par impression 3D, notamment par impression 3D multi-matériaux ; la présence d’un milieu poreux permet par exemple de montrer l’influence sur l’extraction de produits chimiques modifiant la mouillabilité et/ou la porosité et/ou la perméabilité du milieu poreux ;

- le module de sous-sol comporte au moins un élément réalisé autrement que par impression 3D ; par exemple, le module de sous-sol comporte des cloisons constituées par de simples plaques amovibles ;

- le système pédagogique comporte au moins un système motorisé, notamment une pompe actionnée par un moteur électrique pour prélever ledit au moins un composé à extraire et/ou injecter un fluide dans le module de sous-sol ;

- le système comporte au moins un moyen pour injecter un fluide, notamment un gaz ou un liquide, dans le module de sous-sol ;

- le système comporte au moins un moyen pour injecter dans le module de sous-sol un fluide ayant au moins une action physico-chimique sur ledit au moins un composé à extraire et/ou sur un milieu poreux du module de sous-sol, notamment sa tension de surface, sa rhéologie, sa masse volumique, sa porosité, sa perméabilité et/ou sa mouillabilité ;

- le système pédagogique comporte des éléments de paysage et/ou de relief de surface, notamment d’échelle réduite, à la surface du module de sous-sol, notamment des éléments de paysage et/ou de relief réalisés par impression 3D, notamment des éléments de paysage et/ou de relief réalisés à partir d’au moins une image satellite, LIDAR (Light Détection And Ranging), SRTM (Shuttle Radar Topography Mission), ou infrarouge d’une région où se situe le champ dont on cherche à simuler l’exploitation. Ces éléments de paysage et/ou de relief comportent de préférence des éléments reproduisant à échelle réduite des éléments naturels tel que la faune, la flore, une forêt, un volcan, un cours d’eau, un lac et/ou la mer, et/ou des éléments reproduisant à échelle réduite des éléments artificiels tels que des cultures, bâtiments, monuments, habitations, routes, chemins, voies ferrées, canaux, limites administratives, aéroports, gares, plateformes de forage (« drilling rig » en anglais), zones d’atterrissage (« drop zone » en anglais), blocs obturateurs de puits (« blow out preventer » en anglais), têtes de puits, barrages hydroélectriques et/ou éoliennes ; des barrages hydroélectriques et/ou des éoliennes à échelle réduite peuvent être présents sur le dessus du module de sous-sol et/ou à côté de celui-ci sous forme de maquettes fonctionnelles, en tant que système de production d’électricité. Des panneaux solaires photovoltaïques fonctionnels peuvent également être présents en surface du module de sous-sol et/ou à côté de celui-ci en tant que système de production d’électricité ; des systèmes de stockage d’énergie fonctionnels tel que des batteries peuvent également être présents en surface du module de sous-sol et/ou à côté de celui-ci ; ces batteries peuvent notamment permettre de stocker l’énergie produite par les panneaux solaires photovoltaïques fonctionnels et/ou les maquettes fonctionnelles de barrages hydroélectriques et/ou les maquettes fonctionnelles d’éoliennes. Le relief et la topographie de surface qui viennent se positionner sur le dessus du module de sous-sol peuvent correspondre exactement à la zone de sous-sol simulé, dans le cas où la maquette représente un champ pétrolier existant. Ce module de décor de surface peut être réalisé par impression 3D ; de préférence, le module de sous-sol est réalisé de façon à faciliter la mise en place et l’enlèvement d’un décor placé en surface ; le décor est ainsi avantageusement porté par une structure amovible posé à la surface du module de sous-sol ; le système pédagogique peut ainsi comporter au moins un module de surface configuré pour se fixer de façon amovible par friction et/ou encliquetage sur le module de sous-sol, notamment comportant un élément de paysage et/ou de relief de surface ;

- le système comporte au moins un système de production et/ou de stockage d’énergie, notamment des panneaux solaires et/ou des batteries. Ces systèmes de production et/ou de stockage d’énergie permettent un fonctionnement autonome de la maquette, qui peut donc être utilisée dans n’importe quel lieu ;

- ledit au moins un composé à extraire est initialement contenu de façon étanche dans le module de sous-sol ; par exemple, le module de sous-sol est scellé avant la première utilisation pour une séance pédagogique ;

- ledit au moins un composé à extraire est fabriqué extemporanément in situ du module de sous-sol ; par exemple, il s’agit d’un gaz libéré par contact avec un composé introduit dans le module de sous-sol : du dioxyde de carbone produit par une réaction chimique entre un composé solide carbonaté présent dans le module de sous-sol et un acide introduit dans le module de sous-sol ;

- le module de sous-sol est au moins partiellement immergé dans un liquide, de préférence une solution aqueuse, notamment salée et/ou colorée, et/ou le système comporte au-dessus du module de sous-sol et/ou à la surface de celui-ci un liquide ; cela peut permettre de simuler une exploitation offshore ;

- ledit au moins un composé à extraire peut être choisi parmi : des fluides gazeux tels que air, dioxyde de carbone, azote, hélium, sulfure d’hydrogène, gaz comportant des hydrocarbures ou des dérivés d’hydrocarbures, gaz naturel, gaz naturel liquéfié, méthane, propane, ou butane par exemple ; des solvants polaires tels que eaux à différentes salinités/duretés (eau déminéralisée, eau douce, eau minérale, ou eau salée par exemple), eau micellaire, solution gazeuse (boisson gazeuse par exemple telle que eau gazeuse ou soda comportant du dioxyde de carbone dissous sous forme d’acide carbonique par exemple), acide, base, alcool (méthanol ou éthanol par exemple), solution aqueuse comportant au moins un additif ayant des propriétés calo-vectrices et/ou au moins un sel (chlorure de sodium, carbonate de calcium, chlorure de potassium, chlorure de calcium, ou sulfate de magnésium par exemple) et/ou au moins une base et/ou au moins un acide et/ou au moins un colorant, indicateur coloré de pH (phénolphtaléine, thymolphtaléine, rouge de crésol, rouge de phénol ou bleu de bromothymol par exemple) ; des composés apolaires tels que des composés à base de tout corps gras étant sous forme liquide à température ambiante tels que huile végétale (huile de tournesol, huile de colza, ou huile d’olive par exemple), huile animale, huile minérale (huile hydrocarbonée, huile de paraffine, huile à immersion pour microscope, ou huile de vaseline par exemple) ou huile synthétique (huile de silicone, ou huile fluorée par exemple) ou des composés à base de tout corps gras étant sous forme pâteuse ou solide à température ambiante tels que graisse animale (beurre, suif, ou saindoux par exemple), graisse végétale (beurre de karité, beurre de cacao, graisse de noix de coco par exemple), graisse minérale (graisse de vaseline, ou paraffine par exemple), graisse synthétique ou autres composés apolaires tels que pétrole brut, sable bitumineux, bitume, gazole, cire, ou margarine par exemple ; des solvants apolaires tels que white spirit, pétrole désaromatisé, cyclohexane, hexadecane, ou décaline par exemple ; des colorants, notamment des colorants fluorescents, notamment des colorants solubles dans les composés ou fluides polaires tel que encre (encre de Chine par exemple), érythrosine, fluorescéine, rhodamine, bleu de méthylène, ou « Orange G » par exemple ou des colorants solubles dans les composés ou fluides apolaires tel que la famille de colorants Sudan par exemple (Sudan I, Sudan II, Sudan III, Sudan IV, ou Oil Red O), 1-4 di-n-butylaminoanthraquinone, N-éthyl-N-[2-(l-isobutoxyéthoxy) éthyl]-4-(phénylazo) aniline (« Yellow 124 »), N-éthyl-l-[[4 (phénylazo) phényl] azo]-2-naphtalénamine (« Red 19 »), ou ortho-toluène-azo-orto-toluène-azo-bêta-naphtol par exemple ; des composés traceurs sous forme gazeuse, liquide, ou solide ; des suspensions (boue, mélange à base d’eau et/ou d’huile comprenant au moins du sable) ; des émulsions (eau dans huile, huile dans eau, lait par exemple) ; des solutions comportant au moins un solvant polaire et/ou un solvant apolaire et/ou un solvant visqueux (glycérol, maltose, sirop de blé, sirop de maïs, ou sauce de soja sucrée par exemple) et/ou un polymère, notamment un polymère à base de polyacrylamide (Separan, PAM, HP AM, ou FLOPAM par exemple), un polymère à base de polyéther (poly(éthylène glycol), poly(oxyéthylène), poly(propylène glycol), ou poly(oxypropylène) par exemple), un polymère à base de polysaccharide (xanthane, ou acide hyaluronique par exemple), du polystyrène, du polyisobutylène, ou tout autre polymère ayant des applications ou non en termes de récupération améliorée du pétrole ; des fluides non-newtoniens tels que « sand-control », « propan », gel, mouse liquide (obtenue par exemple à partir de savon ou liquide vaisselle), miel, caramel, mayonnaise, dentifrice, mélange comportant au moins de l’eau et de la farine ; des fluides amphiphiles tels que tensioactif, surfactant, dés-émulsifiant, coagulant par exemple ;

- le système pédagogique comporte au moins un moyen pour réaliser une injection, notamment gravitaire, pour le forage ;

- le système pédagogique comporte au moins un système informatique exécutant un logiciel permettant de commander le fonctionnement du module d’extraction au moins ; les systèmes fluidiques permettant la circulation des fluides peuvent par exemple être automatisés, notamment les pompes ou les vannes ; ce système informatique peut ainsi faciliter la mise en œuvre de l'extraction en permettant son automatisation ce qui est avantageux dans le cas d’une séance de démonstration ; ce système informatique est avantageusement utilisé pour accroître le réalisme de la simulation, en permettant par exemple de générer des bruits similaires à ceux rencontrés pendant l’exploitation, et/ou de simuler des dysfonctionnements ou pannes ; il peut également gérer l’affichage d’informations sur un panneau de contrôle et permettre d’enregistrer les actions de stagiaires et/ou d’instructeurs sur un module de sous-sol ;

- le module de sous-sol au moins est contenu dans une valise ou malle, et de préférence tous les modules le sont ; le système pédagogique est ainsi protégé ; son stockage et/ou son transport s’en trouvent facilités ;

- le système pédagogique comporte au moins un tableau de bord, affichant notamment des informations provenant d’instruments de mesure et/ou de capteurs disposés par exemple dans le module de sous-sol et/ou dans un module de production, et/ou relatives au fonctionnement du module d’extraction et/ou des informations ramenées à l’échelle réelle, concernant par exemple au moins une température, pression, débit ou profondeur ; un tel tableau de bord est par exemple placé à proximité du module de soussol lors de la séance pédagogique ;

- le système pédagogique comporte au moins un système de chauffage et/ou de refroidissement, notamment d’une partie au moins du module de sous-sol ; le chauffage permet par exemple de simuler une source géothermique ;

- le système pédagogique comporte au moins un moyen pour émettre un signal audio, vibratoire, lumineux et/ou olfactif, reproduisant celui d’un équipement du module d’extraction et/ou relatif au forage et/ou à l’exploitation ;

- le système comporte au moins un réseau de tuyaux muni de connecteurs rapides comportant au moins une entrée connectée à au moins une sortie, notamment un manifold comportant plusieurs entrées connectées à une sortie ; ces connecteurs ou raccords fluidiques rapides facilitent la mise en place et la modification des circuits/systèmes fluidiques de la maquette ;

- le module de sous-sol comporte au moins un solide soluble dans l’eau, notamment du chlorure de sodium, sous forme de bloc ou sous forme pulvérulente ; cela peut permettre de simuler certaines difficultés de forage et/ou d’exploitation liées à certains types de formations géologiques ;

- ledit au moins un composé à extraire est issu de la transformation d’un matériau présent initialement dans le module de sous-sol, notamment un matériau réagissant à un fluide injecté, par exemple un solide carbonaté (famille d'espèces minérales caractérisées par l'ion carbonate) réagissant à une injection d’un acide pour provoquer un dégagement de gaz, ou un matériau réagissant à un stimulus, notamment thermique, par exemple un corps gras étant sous forme pâteuse ou solide à température ambiante tel qu’un beurre réagissant à l’apport de chaleur pour produire une crème ;

- le système pédagogique comporte des moyens pour réinjecter dans le module de sous-sol une partie au moins dudit au moins un composé à extraire, ou une fraction au moins d’un flux extrait du module de sous-sol, notamment une fraction aqueuse, huileuse ou gazeuse, le flux réinjecté pouvant comporter un fluide additionnel non présent dans le flux extrait ; cela permet une circulation continue des fluides, notamment par l’intermédiaire de circuits fermés et/ou ouverts, ce qui est avantageux dans le cas d’une séance de démonstration ;

- le système pédagogique comporte des moyens pour générer des données d’exploration-production, notamment des données sismiques, de production, de diagraphies, de pressions, réservoirs et/ou géologiques ; de préférence, ces données sont générées en lien avec la structure du module de sous-sol et la ou les formations géologiques que le module de sous-sol est censé simuler ; ainsi, les données sismiques peuvent être générées en fonction d’équations donnant la forme des interfaces entre compartiments du module de sous-sol ; la séance pédagogique comporte alors avantageusement la présentation aux stagiaires des données sismiques simulées, afin de leur permettre de décider du bon emplacement du ou des forages en fonction de ces données ; la correspondance entre la structure du module de sous-sol et les données présentées est particulièrement attractive du point de vue pédagogique, car un mauvais choix d’emplacement de forage pourra se traduire sur la maquette comme dans la réalité par une absence de production du puits ou par une production insuffisante ;

- le module de sous-sol comporte au moins une zone d’un matériau choisi dans la liste comportant : matériau d'impression 3D tel que plastique, céramique, composite ; empilement de billes et/ou de particules, telles que billes en verre, billes en polystyrène, billes en polyuréthane, particules de silice ; solide soluble dans l’eau, sous forme de bloc ou sous forme pulvérulente, tel que chlorure de sodium ; matériau solide hydrophile ou oléophile, utilisé notamment sous forme de revêtement, tel que encre, résine, peinture, polymère ; matériau élastomère tel que caoutchouc, fibre vulcanisée, fibre cellulosique, nitrile, PTFE, Kevlar, silicone ; matériau polymère, utilisé notamment en micro-fabrication, tel que PDMS (polydimethylsiloxane) ou un dérivé du PDMS, TPE (« thermoset » polyester) ou un dérivé de TPE, PUMA (polyuréthane méthacrylate) ou un ll dérivé de PUMA, NOA (Norland Optical Adhesives) ou un dérivé de NOA ; élément solide d’origine végétale tel que céréales (riz, blé, avoine, son, quinoa, semoule, etc.), extrait de café, chocolat, écorce ; élément solide d’origine minérale, utilisé notamment en tant que matériau adsorbant sous forme de bloc, poudre, grains, billes, ou granulés, tel que sable, gravier, terre, carbonate (calcaire, coquillages, coquilles d’œufs, craies pour ardoise et tableau, corail, calcite, bicarbonate de sodium, etc.), perlite, magnésie, charbon actif, argile expansée, zéolite, gel de silice, céramique, pyrite ; matériau à base de fibres minérales, végétales ou synthétiques utilisé notamment en tant qu’isolant dans le bâtiment tel que laine de verre, laine de roche, argile, laine de chanvre, laine de lin, bois, ouate de cellulose, coton, liège, polystyrène ; matériau poreux, notamment sous forme de mousse solide, tel que éponge, mousse en polyester, mousse en polyuréthane, mousse viscoélastique, mousse en latex ; sable comportant entre 0 et 20% en masse d’huile de silicone telle que du PDMS, béton cellulaire, stratification de fines lamelles de verre, matériau poreux monolithique, charbon, métal sous forme de plaque ou de feuille tel que aluminium, plastique sous forme de film étirable, matériau gonflant, notamment à base d’élastomère, lorsque mis en contact avec un fluide, notamment un fluide aqueux ;

- le système comporte des moyens pour réaliser un forage horizontal dans le module de sous-sol ;

- le module de sous-sol comporte au moins un réactif chimique, notamment des éléments métalliques, des éléments effervescents sous forme de comprimés, poudre ou granulés par exemple, des friandises telles que des pastilles de Mentos (marque déposée) par exemple, des indicateurs colorés de pH tels que la phénolphtaléine, la thymolphtaléine, le rouge de crésol, le rouge de phénol ou le bleu de bromothymol par exemple, des éléments minéraux carbonatés, du saccharose sous forme de poudre par exemple, du chlorate de soude, des éléments moussants tels que du liquide vaisselle par exemple, du permanganate de potassium, de l’iodure de sodium, de l’iodure de potassium, du sulfate de fer (II) heptahydraté, du chlorure de fer (III), du sulfure de fer (II), du sulfure d’ammonium, de la glace carbonique (carboglace), de la poudre explosive ou tout autres éléments utilisés en pyrotechnie, pouvant réagir chimiquement avec un fluide introduit dans le module de sous-sol, notamment pour simuler un accident ; les éléments métalliques peuvent notamment correspondre à des métaux alcalins tels que le lithium, le sodium, le potassium ou le césium par exemple, ou à des métaux alcalino-terreux tels que le calcium ou le magnésium par exemple ; la réaction de ces éléments métalliques avec de l’eau, sous forme liquide ou vapeur, dégage de la chaleur et de la fumée voire produit une flamme, ce qui permet de simuler une explosion par exemple ; les éléments carbonatés peuvent notamment correspondre à du calcaire, des coquillages, des coquilles d’œufs, des craies pour ardoise et tableau, corail, calcite, ou bicarbonate de sodium ; la réaction de ces éléments carbonatés avec un acide tel que l’acide chlorhydrique par exemple produit un dégagement de gaz (dioxyde de carbone) ce qui permet de simuler une augmentation de pression par exemple ; la réaction du saccharose avec un acide tel que l’acide sulfurique par exemple provoque un dégagement de chaleur et de gaz (vapeur d’eau) ; de même, la réaction entre de l’eau oxygénée et un réactif tel que le permanganate de potassium, l’iodure de sodium, l’iodure de potassium, le sulfate de fer (II) heptahydraté ou le chlorure de fer (III) par exemple provoque un dégagement de chaleur et de gaz (dioxygène) ; la réaction de la glace carbonique (carboglace) avec un fluide tel qu’une solution aqueuse, notamment chauffée (entre 30 et 70°C par exemple), produit un dégagement de gaz (dioxyde de carbone) et de fumée ; les accidents simulés par ces réactions chimiques peuvent par exemple correspondre à une fuite de fluide, une éruption incontrôlée de fluide hors d'un puits, une explosion, un incendie, une augmentation de pression et/ou de température, un dégagement de fumée, un dégagement de gaz, notamment du sulfure d’hydrogène, etc. ;

- le module de sous-sol comporte au moins un compartiment rempli par un liquide ou un gaz afin de simuler un fluide présent dans la formation géologique ; le fluide peut être choisi parmi des fluides gazeux tels que air, dioxyde de carbone, azote, hélium, sulfure d’hydrogène, gaz comportant des hydrocarbures ou des dérivés d’hydrocarbures, gaz naturel, gaz naturel liquéfié, méthane, propane, ou butane par exemple ; des solvants polaires tels que eaux à différentes salinités/duretés (eau déminéralisée, eau douce, eau minérale, ou eau salée par exemple), eau micellaire, solution gazeuse (boisson gazeuse par exemple telle que eau gazeuse ou soda comportant du dioxyde de carbone dissous sous forme d’acide carbonique par exemple), acide, base, alcool (méthanol ou éthanol par exemple), solution aqueuse comportant au moins un additif ayant des propriétés calovectrices et/ou au moins un sel (chlorure de sodium, carbonate de calcium, chlorure de potassium, chlorure de calcium, ou sulfate de magnésium par exemple) et/ou au moins une base et/ou au moins un acide et/ou au moins un colorant, indicateur coloré de pH (phénolphtaléine, thymolphtaléine, rouge de crésol, rouge de phénol ou bleu de bromothymol par exemple) ; des composés apolaires tels que des composés à base de tout corps gras étant sous forme liquide à température ambiante tels que huile végétale (huile de tournesol, huile de colza, ou huile d’olive par exemple), huile animale, huile minérale (huile hydrocarbonée, huile de paraffine, huile à immersion pour microscope, ou huile de vaseline par exemple) ou huile synthétique (huile de silicone, ou huile fluorée par exemple) ou des composés à base de tout corps gras étant sous forme pâteuse ou solide à température ambiante tels que graisse animale (beurre, suif, ou saindoux par exemple), graisse végétale (beurre de karité, beurre de cacao, graisse de noix de coco par exemple), graisse minérale (graisse de vaseline, ou paraffine par exemple), graisse synthétique ou autres composés apolaires tels que pétrole brut, sable bitumineux, bitume, gazole, cire, ou margarine par exemple ; des solvants apolaires tels que white spirit, pétrole désaromatisé, cyclohexane, hexadecane, ou décaline par exemple ; des colorants, notamment des colorants fluorescents, notamment des colorants solubles dans les composés ou fluides polaires tel que encre (encre de Chine par exemple), érythrosine, fluorescéine, rhodamine, bleu de méthylène, ou « Orange G » par exemple ou des colorants solubles dans les composés ou fluides apolaires tel que la famille de colorants Sudan par exemple (Sudan I, Sudan II, Sudan III, Sudan IV, ou Oil Red O), 1-4 di-n-butyl-aminoanthraquinone, N-éthyl-N-[2-(lisobutoxyéthoxy) éthyl]-4-(phénylazo) aniline (« Yellow 124 »), N-éthyl-l-[[4 (phénylazo) phényl] azo]-2-naphtalénamine (« Red 19 »), ou ortho-toluène-azo-orto-toluène-azo-bêtanaphtol par exemple ; des composés traceurs sous forme gazeuse, liquide, ou solide ; des suspensions (boue, mélange à base d’eau et/ou d’huile comprenant au moins du sable) ; des émulsions (eau dans huile, huile dans eau, lait par exemple) ; des solutions comportant au moins un solvant polaire et/ou un solvant apolaire et/ou un solvant visqueux (glycérol, maltose, sirop de blé, sirop de maïs, ou sauce de soja sucrée par exemple) et/ou un polymère, notamment un polymère à base de polyacrylamide (separan, PAM, HP AM, ou FLOP AM par exemple), un polymère à base de polyéther (poly(éthylène glycol), poly(oxyéthylène), poly(propylène glycol), ou poly(oxypropylène) par exemple), un polymère à base de polysaccharide (xanthane, ou acide hyaluronique par exemple), du polystyrène, du polyisobutylène, ou tout autre polymère ayant des applications ou non en termes de récupération améliorée du pétrole ; des fluides non-newtoniens tels que « sandcontrol », « propan », gel, mouse liquide (obtenue par exemple à partir de savon ou liquide vaisselle), miel, caramel, mayonnaise, dentifrice, mélange comportant au moins de l’eau et de la farine ; des fluides amphiphiles tels que tensioactif, surfactant, dés-émulsifiant, coagulant par exemple ;

- le module de sous-sol peut comporter des conduits disposés les uns dans les autres pour créer des puits ; les puits peuvent être verticaux ou non, notamment horizontaux ;

- le module de sous-sol peut comporter un milieu poreux comportant au moins un composé biocide afin d’assurer une longue conservation du fluide contenu à l’intérieur ;

- le module de sous-sol est choisi parmi deux modules de sous-sol ayant chacun au moins l’un des paramètres porosité-perméabilité-mouillabilité évoluant d’une façon qui lui est propre et différente de celle de l’autre module de sous-sol, notamment spatialement et/ou temporellement. Le choix spatial des paramètres porosité-perméabilitémouillabilité est possible par des assemblages (empilements) d’éléments calibrés (billes et/ou particules par exemple) et en jouant sur leurs formes, leurs tailles, les propriétés du matériau utilisé, son état de surface ; et le choix temporel est possible en dissolvant certains matériaux du module de sous-sol tels que des carbonates et/ou des sels. La mouillabilité est paramétrable en utilisant des matériaux de mouillabilité connue, et/ou par des traitements de surface, notamment l’utilisation de NOA dont l’angle de contact peut être choisi par traitement UV ;

- le système comporte au moins un moyen permettant une régulation d’au moins un flux ou une fraction de celui-ci, notamment des vannes, des régulateurs de pression, de niveau et/ou de débit.

L’invention a encore pour objet un procédé pour simuler à l’aide d’un système pédagogique selon l’invention, tel que défini ci-dessus, le comportement réel d’une installation d’exploitation pétrolière, de géothermie et/ou de séquestration de carbone, dans lequel on génère des données d’exploration-production, notamment des données sismiques, de production, de diagraphies, de pressions, réservoirs et/ou géologiques, factices correspondant à la modélisation de sous-sol reproduite par le module de sous-sol.

L’invention a encore pour objet un procédé d’utilisation d’un système selon l’invention pour simuler au moins une technique d’extraction pétrolières, de séquestration de carbone et/ou de géothermie, dans lequel on extrait du module de sous-sol d’échelle réduite au moins un composé, notamment un composé représentatif d’un hydrocarbure.

On peut soumettre le module de sous-sol à un apport de chaleur, par exemple en le disposant sur une plaque chauffante, et/ou de froid, notamment à l’aide d’un bac à glace.

L’invention a encore pour objet, selon un autre de ses aspects, indépendamment ou en combinaison avec ce qui précède, un système de forage, notamment pour module de sous-sol tel que défini précédemment, ce système comportant au moins un outil de forage pour réaliser au moins un puits par forage du module de soussol, l’outil de forage comportant au moins un injecteur, notamment motorisé ou gravitaire, d’au moins un fluide dans le puits foré ou en cours de forage, notamment un fluide liquide tel que de l’eau, ou un fluide de coupe/perçage, ou un fluide liquide non-newtonien et/ou thixotrope et/ou rhéofluidifiant, tel qu’une solution à base d’eau et/ou d’huile comportant notamment tous additifs habituellement utilisés pour ajuster la densité et/ou la viscosité des fluides de forage, ou une solution à base de purée de légume(s) et/ou de fruit(s), ou un fluide comportant au moins de l’eau, du sable et de l’argile, ou un fluide comportant au moins une charge minérale telle que de la bentonite, ou une solution à base d’amidon de maïs, ou une solution comportant au moins un solvant polaire et/ou un solvant apolaire et/ou un solvant visqueux et/ou un polymère, ou un fluide gazeux comportant au moins de l’air et/ou de l’azote et/ou de l’hélium et/ou du dioxyde de carbone.

L’injecteur peut comporter un foret creux qui définit dans le puits un espace annulaire autour de lui, par lequel une circulation de fluide peut s’effectuer. La circulation du ou des fluides injectés par l’injecteur peut être directe (les fluides descendent à l’intérieur du foret creux et remontent par l’espace annulaire) ou inverse (les fluides descendent par l’espace annulaire et remontent à l’intérieur du foret creux) ; la circulation des fluides peut se faire en circuit ouvert ou fermé.

Le système peut être agencé pour réaliser un forage horizontal dans le module de sous-sol.

L’invention a encore pour objet, indépendamment ou en combinaison avec ce qui précède, un système comportant un module de sous-sol, modélisant au moins une formation géologique, et au moins un programme informatique pour générer des données d’exploration-production, notamment des données sismiques, de production, de diagraphies, de pressions, réservoirs et/ou géologiques correspondant à la modélisation de sous-sol reproduite par le module de sous-sol.

L’invention pourra être mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, d’exemples de mise en œuvre non limitatifs de celle-ci, et à l’examen du dessin annexé, sur lequel :

- La figure IA représente de façon schématique et partielle un exemple de système pédagogique selon l’invention,

- la figure IB représente de façon schématique et partielle une variante de système pédagogique selon l’invention,

- la figure 2 représente une variante plus particulièrement destinée à simuler un réseau de gaz,

- les figures 3 à 6 représentent des exemples de compartimentation du module de sous-sol,

- la figure 7 illustre la possibilité de réaliser le module de sous-sol avec un élément thermique,

- les figures 8 à 21 sont des vues analogues à la figure IA, de variantes de réalisation du module de sous-sol,

- la figure 22 représente un exemple de panneau de contrôle du système pédagogique selon l’invention.

On a représenté partiellement à la figure IA un exemple de système pédagogique 1 selon l’invention, pour l’enseignement des techniques pétrolières. Ce système est destiné par exemple à être utilisé pendant une séance de formation par un ou plusieurs stagiaires en présence d’un ou plusieurs instructeurs.

Le système 1 comporte au moins un module de sous-sol 31 comportant un récipient 19, lequel peut être réalisé de diverses façons et par exemple au moins partiellement en matière plastique, notamment transparente. Le matériau constitutif du récipient 19 est avantageusement résistant à la pression, à la température et aux produits chimiques tels que les solutions aqueuses acides, alcalines, salines, les solvants organiques, les huiles et autres solutions non aqueuses. Ce récipient 19 peut se présenter sous la forme d’un bac de forme générale rectangulaire, dans lequel sont placés tous les autres éléments constitutifs du module de sous-sol. Il peut être avantageux de réaliser le récipient 19 avec au moins une fenêtre transparente permettant de voir le contenu de celui-ci et notamment les différentes strates que l’on cherche à simuler, le cas échéant.

Il est également avantageux de réaliser le récipient 19 avec un couvercle amovible (non représenté) de façon à pouvoir le refermer, notamment avant son utilisation ou après celle-ci. Il s’agit par exemple d’un couvercle permettant une fermeture sensiblement étanche aux liquides et aux gaz. Le couvercle peut être muni d’un joint d’étanchéité.

La contenance du récipient est par exemple comprise entre 0,01 et 10000 Litres, mieux entre 1 et 100 L.

Le module de sous-sol 31 permet une extraction et/ou une injection d’au moins un fluide, afin de simuler une exploitation réelle.

Le terme « fluide » englobe dans toute la description les liquides et gaz.

Le système pédagogique 1 selon l’invention comporte un certain nombre de conduites et accessoires dont l’agencement est choisi en fonction du type d’exploitation pétrolière que l’on cherche à simuler.

Le système pédagogique selon l’invention peut comporter un ou plusieurs puits. Ces puits sont formés par exemple par des conduites introduites dans le module de sous-sol après un forage réalisé pendant la séance d’enseignement. En variante, les puits sont pré-montés.

Dans l’exemple de réalisation de la figure IA, ledit au moins un composé à extraire contenu dans le compartiment 2b est extrait par le puits 27 de manière gravitaire par ouverture de la vanne V-100. Le compartiment 2b simule par exemple un réservoir géologique d’huile anticlinal et peut être rempli par au moins de l’huile et de l’eau, ou par au moins une phase huileuse et une phase aqueuse. Le puits 27 est un puits producteur et le puits 36 est un puits injecteur.

Cette extraction gravitaire repose sur une différence de niveau entre le module de sous-sol 31 et un point où le composé à extraire est amené hors du module de sous-sol, à savoir, une capacité E-3 qui peut permettre de simuler un séparateur tri-phasique. Cette extraction gravitaire du ou des fluides contenus dans le compartiment 2b est, autrement dit, une extraction par siphonage.

Une vanne V-6 permet de simuler l’injection d’un produit chimique 26 en surface pour le traitement du flux provenant du puits producteur 27. Les produits chimiques injectés peuvent être choisis parmi les détergents et/ou les surfactants, notamment dotés de propriétés tensioactives, les dés-émulsifiants tel qu’un dégraissant vaisselle par exemple, les coagulants ou les floculants, pour permettre une meilleure séparation des fluides.

Le système peut comporter un instrument de mesure et/ou un capteur de niveau du fluide contenu au sein du compartiment 2b. Lorsque le niveau du fluide dans le compartiment 2b descend sous un certain seuil, une injection de liquide est réalisée dans le compartiment 2b pour compenser la quantité déjà extraite. Pour ce faire, un liquide initialement contenu dans la capacité E-l00 est injecté de manière gravitaire dans le puits 36 par ouverture de la vanne V-3. L’injection de liquide dans le compartiment 2b peut s’effectuer par des sorties 16 du puits 36.

Le système peut comporter un instrument de mesure et/ou un capteur de niveau du fluide contenu au sein de l’injecteur gravitaire E-l00. Lorsque le niveau de fluide dans E-l00 descend sous un certain seuil, une injection de liquide est réalisée dans E-l00 par ouverture de la vanne V-101. Cette vanne V-101 peut être reliée à deux sources de liquide.

La première source de liquide peut être une arrivée d’eau domestique 50 qui permet de remplir l’injecteur gravitaire par ouverture des vannes V-106 et V-101. Une injection d’eau dans le réservoir 2b permet une remontée d’huile vers le haut du réservoir, afin que toute l’huile puisse être extraite par le puits 27.

La deuxième source de liquide peut être une phase aqueuse et/ou huileuse provenant du séparateur tri-phasique E-3. La phase aqueuse provient de la sortie 6 de la capacité E-3 par ouverture de la vanne V-104. La phase huileuse provient de la sortie 7 de la capacité E-3 par ouverture de la vanne V-105. Une pompe E-101 placée en aval des vannes V-104 et V-105 permet de remplir l’injecteur gravitaire E-l00 par ouverture des vannes V-107 et V-101. La pompe E-101 est par exemple une pompe hydraulique électrique. Le fluide pompé par E-101 peut être une phase aqueuse, amenée par ouverture de V-104 et fermeture de V-105. Le fluide pompé par E-101 peut également être une phase huileuse amenée par ouverture de V-105 et fermeture de V-104. Cela permet de compenser l’huile déjà extraite du réservoir 2b, de manière à avoir une extraction d’huile continue. Enfin, le fluide pompé par E-101 peut être un mélange, en proportion variable, d’une phase aqueuse et d’une phase huileuse par ouverture simultanée et adéquate des vannes V-104 et V-105. La composition du mélange réintroduit dans le module de sous-sol 31 par le puits peut notamment correspondre à la composition du flux extrait du module de sous-sol 31 par le puits 27.

L’injecteur gravitaire E-100 peut être rempli par ouverture de la vanne V-l06 et fermeture de la vanne V-107. L’injecteur gravitaire E-100 peut également être rempli par ouverture de la vanne V-107 et fermeture de la vanne V-l06. Enfin, l’injecteur gravitaire peut être rempli par un mélange, en proportion variable, par ouverture simultanée et adéquate des vannes V-l06 et V-107. Une capacité E-102 permet l’addition de composés ou fluides additionnels par ouverture de la vanne V-l08, notamment afin d’ajouter une base et/ou un acide et/ou une solution de polymères et/ou une solution de surfactants, et/ou afin d’ajuster la salinité du fluide injecté dans le puits 36.

Le système décrit permet une injection intermittente de fluide dans le réservoir 2b, afin de compenser la quantité de fluide déjà extraite.

Dans une variante, des moyens permettant de mesurer et réguler un débit de fluide peuvent être placés en amont et/ou en aval des vannes V-3, V-100 et V-101. Ces moyens de mesure et de régulation de débit peuvent permettre d’obtenir un débit d’injection qui est égal au débit d’extraction. Ainsi, le système permet une injection continue (et non plus intermittente) de fluide dans le réservoir 2b, à un débit égal au débit d’extraction. Cela permet de maintenir un certain niveau de fluide dans le compartiment 2b sans intervention manuelle. Cela est particulièrement avantageux dans le cas d’une séance de démonstration. En effet, l’extraction peut dans ce cas se faire en continue, de manière autonome et sans intervention manuelle, tout en étant gravitaire.

Les vannes V-3 à V-6, V-100, V-101, V-l04 à V-l08 peuvent être des vannes tout ou rien ou des vannes proportionnelles. Ces vannes peuvent être actionnées manuellement ou mieux automatiquement.

Dans les exemples qui suivent, on n’a pas toujours représenté sur les figures correspondantes les moyens permettant de réaliser une extraction continue du ou des composés à extraire, dans un souci de clarté du dessin. Les caractéristiques techniques illustrées dans ces exemples peuvent se combiner avec celles de l’exemple IA décrit cidessus.

Le module de sous-sol 31 est dans l’exemple illustré à la figure IB compartimenté et comporte plusieurs compartiments censés correspondre à différentes structures géologiques, en l’espèce quatre compartiments, l’invention n’étant pas limitée à un nombre particulier de compartiments.

Les compartiments peuvent être ménagés dans le récipient 19 à l’aide de cloisons, amovibles ou non.

Le module de sous-sol peut notamment comporter un premier compartiment 2a avec une partie supérieure plane 33. Ce compartiment 2a simule par exemple un réservoir géologique comportant une phase gaz et au moins une phase liquide.

La partie supérieure du réservoir, au-dessus de 34, est par exemple remplie entre 0 et 100% de sa hauteur par un gaz tel que de l’air, du dioxyde de carbone, de l’azote, de l’hélium, ou un mélange d’au moins deux de ces gaz ; la partie inférieure, en-dessous de 34, est par exemple remplie d’huile telle qu’une huile végétale (huile de tournesol, huile de colza, ou huile d’olive par exemple), huile animale, huile minérale (huile hydrocarbonée, huile de paraffine, huile à immersion pour microscope, ou huile de vaseline par exemple) ou huile synthétique (huile de silicone, ou huile fluorée par exemple) entre 0 et 100% en masse et le complément en eau. L’huile peut être colorée spécifiquement par ajout d’au moins un colorant lipophile tel que un colorant du groupe Sudan (Sudan I, Sudan II, Sudan III, Sudan IV, ou Oil Red O par exemple), le colorant 1-4 di-n-butyl-aminoanthraquinone, le colorant N-éthyl-N-[2-(l-isobutoxyéthoxy) éthyl]-4-(phénylazo) aniline (« Yellow 124 »), le colorant N-éthyl-l-[[4 (phénylazo) phényl] azo]-2-naphtalénamine (« Red 19 »), ou le colorant ortho-toluène-azo-orto-toluène-azo-bêta-naphtol par exemple et l’eau peut être colorée spécifiquement par ajout d’au moins un colorant hydrophile tel qu’une encre (encre de Chine par exemple), érythrosine, fluorescéine, rhodamine, bleu de méthylène, ou « Orange G ». Cela facilite la distinction visuelle entre la phase huileuse et la phase aqueuse, ainsi que la visualisation de la circulation de chacune des deux phases.

Le module de sous-sol 31 peut comporter, comme illustré, un deuxième compartiment 2b sous le premier, qui simule un réservoir d’huile anticlinal et qui peut être rempli par au moins de l’huile et de l’eau, ou par au moins une phase huileuse et une phase aqueuse.

La cloison 18 qui sépare les compartiments 2a et 2b a par exemple une forme de dôme, comme illustré.

Un troisième compartiment 3 s’étend par exemple sur sensiblement toute la hauteur du module de sous-sol 31, sous une paroi supérieure 32 du module de sous-sol matérialisant la surface.

Une cloison 17 s’étendant obliquement sépare le compartiment 3 des compartiments 2a et 2b.

Un quatrième compartiment 24 est formé sous la paroi supérieure 32, étant séparé du compartiment 2a par une cloison 33 et du compartiment 3 par une portion de la cloison 17.

Les cloisons 17, 18, 33 et la paroi supérieure matérialisant la surface 32 sont par exemple réalisées par découpe d’un matériau en plaque pour les surfaces planes, et impression 3D ou moulage pour les surfaces plus complexes, et sont par exemple à base de PDMS, plastique, latex, élastomère, bois, sable, argile, craie, métal, ouate de cellulose, laine de verre, liège, perlite, lin, chanvre, magnésie ou tout autre matériau pouvant être utilisé en tant qu’adsorbant ou isolant dans le bâtiment. Leur épaisseur est par exemple comprise entre 1 micromètre (feuille d’aluminium) et 1 mètre, mieux entre 10 microns et 10 cm. Ces cloisons sont de préférence étanches. Ces cloisons peuvent notamment permettre de simuler des roches de couverture (« cap rock » en anglais). Le dôme formé par la cloison 18 peut notamment être réalisé à base de sel tel que du chlorure de sodium.

Dans l’exemple considéré, un premier puits 27 est utilisé pour extraire au moins un composé de l’un au moins des compartiments qu’il traverse. Le puits 27 traverse le compartiment 2a et peut y prélever un composé présent dans celui-ci grâce à au moins une communication à l’aide de perforations 34 par exemple. Un bouchon 15 ferme le puits au niveau de la cloison 18. Le bouchon 15 permet de produire sélectivement les compartiments 2a ou 2b en isolant le compartiment désiré, par exemple en cas de venue soudaine d’eau, de gaz ou pour un problème d’intégrité du puits 27. L’élément 15 est un bouchon qui peut être creux en son milieu afin d’isoler les perforations 34 et permettre la production du compartiment 2b. Le bouchon 15 est par exemple inséré dans le puits à l’aide d’une tige rigide et peut être retiré avec une tige ayant un petit crochet pour permettre d’attraper le bouchon. Le bouchon 15 peut être réalisé en tout matériau permettant d’obtenir l’étanchéité recherchée, par exemple un matériau à base de silicone, d’élastomère de type caoutchouc, fibres vulcanisées, fibres cellulosiques, nitrile, PTFE, kevlar, liège ou PDMS. Ce bouchon peut notamment permettre de simuler un « packer » et/ou un « plug ».

L’injection d’eau dans le compartiment 2b peut s’effectuer par des sorties 16 du puits 36. Cette injection permet une remontée d’huile vers le haut du réservoir, afin que toute l’huile puisse être extraite par le puits 27.

Le module de sous-sol 31 peut être réalisé avec au moins un deuxième puits 36, et au cours de l’exploitation, une injection d’eau par le puits 36 permet de remplacer le volume d’huile extrait pour éviter de produire le volume supérieur partiellement rempli en gaz.

Les communications des conduites des puits avec les compartiments associés peuvent être réalisées par des perforations réalisées dans les conduites 38, 39, 29, 40 qui peuvent être verticales ou horizontales.

L’extraction du ou des fluides permettant de simuler l’exploitation d’un puits peut s’effectuer de façon manuelle ou motorisée, par exemple à l’aide d’une pompe E-l représentée schématiquement, disposée en surface du module de sous-sol ou en variante dans celui-ci.

On peut utiliser avantageusement une pompe hydraulique électrique, par exemple de débit compris entre 10 millilitres par jour et 10 mètres cubes par jour. La pompe peut être de type centrifuge, ou à membrane comme celle utilisée pour traiter/filtrer l’eau des aquariums, présentant alors l’avantage de pouvoir être immergée. Le système d’aspiration au niveau de la conduite 39 permis par la pompe E-l et permettant l’extraction du ou des fluides présents dans le module de sous-sol 31 peut également correspondre à une source de vide. Cette source de vide peut être manuelle (pompe à vide manuelle par exemple), gazeuse (bouteille ou cartouche de gaz dont la pression est inférieure à la pression atmosphérique par exemple) ou motorisée (pompe à vide telle que sur les aspirateurs de mucosités utilisés dans le domaine médical, ou générateur de vide utilisé notamment en micro-fluidique par exemple).

Cette pompe E-l est par exemple reliée à une installation de traitement du flux grâce à divers accessoires fluidiques V-2 tels que par exemple tubes, vannes, clapets antiretour, régulateurs de pression, de niveau et/ou de débit, comme dans la réalité. Ces régulateurs de pression et/ou de débit peuvent être par exemple des contrôleurs de pression et/ou de débit, notamment micro-fluidique et/ou multivoies. Ces vannes peuvent être par exemple des vannes tout/rien ou des vannes proportionnelles. Ces vannes peuvent être actionnées manuellement ou automatiquement (de manière électrique, hydraulique, ou pneumatique par exemple). Ces tubes peuvent être notamment en polymères tels qu’élastomère, PDMS, PVC, PFA, PTFE, FEP, EFTE, polyéthylène, polyamide, ou polyuréthane par exemple. Les tubes sont de préférence étanches aux gaz et aux liquides et résistants à la pression, à la température et aux produits chimiques tels que les solutions aqueuses acides, alcalines, salines, les solvants organiques, les huiles et autres solutions non aqueuses. Les tubes sont de préférence transparents, ce qui facilite la visualisation des écoulements de fluides au sein des tubes. Les tubes sont de préférence souples, ce qui facilite leur mise en place. Le diamètre des tubes est par exemple compris entre 1 micromètre et 15 centimètres, mieux entre 1 millimètre et 2 centimètres.

Dans l’exemple considéré, la maquette est réalisée de façon à permettre de simuler une extraction par injection de gaz, dite « gas lift » en anglais, ce gaz étant amené par une conduite 4 d’un troisième puits 35. Le gaz utilisé peut être notamment de l’air, du dioxyde de carbone, de l’hélium, de l’azote, ou un mélange d’au moins deux de ces gaz. L’injection de gaz permet de faire remonter le liquide présent dans le compartiment 3, notamment en baissant la densité du fluide extrait. Ceci donne l’avantage de produire un compartiment dépressurisé sans pompe de manière stable et fiable. Ce gaz donne une énergie supplémentaire au système, qui permet de positionner le séparateur E-3 à n’importe quel endroit, chose qui serait impossible avec un siphonage gravitaire, puisque le récipient de stockage devrait se trouver à une altitude plus basse.

Le gaz peut être isolé par une vanne V-9. Le gaz est par exemple injecté dans un espace annulaire 21 autour du tube de production 29 du puits ou dans un capillaire 22 et est transmis dans le tube de production 29 où le composé à extraire circule, via des points d’injection 28.

Le puits 35 peut être mis en sécurité en surface grâce à une vanne V-l qui permet de simuler une tête de puits (« arbre de Noël »). Des instruments de mesure et/ou des capteurs peuvent être placés en amont et/ou en aval de la vanne V-l de manière à mesurer par exemple une pression, un débit et/ou une température du fluide extrait du module de sous-sol.

La production (liquide) du puits 35 peut rejoindre la production du puits 27 précédemment décrit ou celle de tout autre puits, ou peut être ségrégée sur le principe d’un manifold.

Une vanne V-6 permet de simuler l’injection d’un produit chimique 26 en surface pour le traitement du flux provenant des puits 27 ou 35. Les produits chimiques injectés peuvent être choisis parmi les détergents et/ou les surfactants, notamment dotés de propriétés tensioactives, les dés-émulsifiants tel qu’un dégraissant vaisselle par exemple, les coagulants ou les floculants, pour permettre une meilleure séparation des fluides.

Les flux provenant des puits 27 et/ou 35 arrivent dans une capacité E-3 qui peut traiter une phase gaz par la sortie 5, une phase aqueuse par la sortie 6 et une phase huileuse par la sortie 7. Les flux provenant des puits 27 et/ou 35 peuvent comporter au moins un colorant, notamment un colorant hydrophile (encre telle qu’encre de Chine, érythrosine, fluorescéine, rhodamine, bleu de méthylène, ou « Orange G » par exemple) et/ou un colorant lipophile (colorants Sudan tels que Sudan I, Sudan II, Sudan III, Sudan IV, ou Oil Red O par exemple). Le colorant hydrophile peut permettre de colorer spécifiquement la phase aqueuse et le colorant lipophile peut permettre de colorer spécifiquement la phase huileuse. Cela facilite la distinction visuelle entre la phase aqueuse et la phase huileuse, ainsi que la visualisation de la circulation de chacune des deux phases. Cette capacité E-3 avec ses différentes sorties peut permettre de simuler un séparateur triphasique. Cette capacité E-3 peut être réalisée de diverses façons et par exemple au moins partiellement en matière plastique, notamment transparente. Le matériau constitutif de cette capacité E-3 est avantageusement résistant à la pression, à la température et aux produits chimiques tels que les solutions aqueuses acides, alcalines, salines, les solvants organiques, les huiles et autres solutions non aqueuses. Cette capacité E-3 peut se présenter sous la forme générale d’un cylindre, et peut être utilisée dans une position horizontale (comme représenté sur la figure IB) ou verticale (non représenté). Il peut être avantageux de réaliser cette capacité E-3 avec au moins une fenêtre transparente permettant de voir le contenu de celle-ci.

La contenance de cette capacité E-3 est par exemple comprise entre 0,01 et 200 Litres, mieux entre 0,1 et 2 L.

La capacité E-3 peut être équipée d’au moins un instrument de mesure et/ou d’au moins un capteur de niveau permettant par exemple de déterminer la distance entre la surface d’un liquide et le fond de la capacité E-3 contenant le liquide.

Des vannes V-4 et V-5 permettent d’isoler respectivement les sorties phase aqueuse et phase huileuse.

La phase huileuse est par exemple exportée par une pompe E-4 vers des moyens de stockage qui peuvent être de type terrestre, par exemple matérialisés par une maquette de camion-citerne 10 ou maritime, par exemple une maquette de supertanker 9, avec la possibilité pour ces maquettes d’être mobiles, le cas échéant.

Les capacités de stockage peuvent également contenir des unités de traitement des flux, notamment un traitement de la phase huileuse ou un système de mesure du « Basic Sédiment and Water », c’est-à-dire la quantité d’eau et de dépôt.

La production d’autres modules de sous-sol 8 peut être exportée en utilisant des canalisations communes 30. L’effluent provenant des autres modules peut être de nature différente, notamment des huiles de degrés API différents.

La phase aqueuse qui est extraite durant le fonctionnement d’un module de sous-sol peut être envoyée à un module 11 qui simule un système de traitement des eaux. Une vanne V-8 peut permettre l’arrivée d’autres eaux, une injection d’un produit chimique ou l’envoi d’eau vers d’autres capacités ou à un point simulant un rejet mer. Le produit chimique injecté est ici de préférence un floculant ou coagulant. Le système de traitement des eaux peut être réalisé avec des plaques oléophiles permettant la coagulation de l’huile résiduelle. Ces plaques oléophiles peuvent être réalisées en PTFE ou avec un revêtement hydrophobe tel qu’une peinture d’extérieur.

Une vanne V-7 permet d’isoler une unité de mélange 13 où le fluide est préparé à être réinjecté dans le module de sous-sol.

L’unité de mélange 13 permet notamment d’ajuster la salinité ou de créer une solution aqueuse de polymère/surfactant.

Une vanne V-10 permet de recevoir/envoyer du fluide vers des capacités 14. Ces dernières peuvent contenir des solutions mères aqueuses de polymère ou surfactant. L’injection aqueuse est réalisée avec une pompe manuelle ou motorisée E-2 à travers une vanne V-3. La pompe E-2 peut être par exemple une pompe hydraulique électrique qui refoule dans le puits 36 qui est constitué par la conduite 38. La pompe E-2 peut être également un pousse-seringue. Le système d’injection au niveau de la conduite 38 permis par la pompe E-2 peut également correspondre à une source de pression. Cette source de pression peut être manuelle (pompe à air manuelle habituellement utilisée afin de gonfler un pneu de vélo par exemple), gazeuse (bouteille ou cartouche de gaz dont la pression est supérieure à la pression atmosphérique par exemple) ou motorisée (pompe à air habituellement utilisée afin d’aérer/oxygéner l’eau des aquariums, ou générateur de pression utilisé notamment en micro-fluidique par exemple). Cette source de pression peut être également un compresseur (air par exemple) ou un compresseur-générateur combiné (azote par exemple). Cette source de pression peut être reliée à l’unité de mélange 13 par la vanne V-10. Par fermeture de la vanne V-7, l’unité de mélange 13 est mise sous pression, ce qui entraîne l’injection des fluides contenus dans l’unité de mélange 13 au niveau du puits 36, par ouverture de la vanne V-3.

Le fluide est injecté dans le module de sous-sol par un puits 36 ayant des ouvertures 16 communiquant avec les compartiments 2a et 2b. Des instruments de mesure et/ou des capteurs peuvent être placés en amont et/ou en aval de la vanne V-3 de manière à mesurer par exemple une pression, un débit et/ou une température du fluide injecté dans le module de sous-sol.

Dans l’exemple de la figure IB, un gaz venant de 25 peut être injecté dans le compartiment 24 pour simuler une séquestration de ce gaz. Le gaz peut provenir d’une bouteille/cartouche pressurisée (air, hélium, azote, dioxyde de carbone, propane ou butane par exemple), d’une pompe à air manuelle (correspondant par un exemple à celle habituellement utilisée afin de gonfler un pneu de vélo) ou motorisée (correspondant par exemple à celle habituellement utilisée afin d’aérer/oxygéner l’eau des aquariums), d’un compresseur (air par exemple) ou d’un compresseur-générateur combiné (azote par exemple) appartenant au système pédagogique. Le gaz peut simuler un gaz à effet de serre. Le volume injecté est par exemple compris entre 10⁶ Sm³ (standard mètre cube) et 100 Sm³. La pression de stockage est par exemple comprise entre 1 atmosphère et 30 bars.

Le module de sous-sol 31 peut être pré-équipé avant le début de la séance pédagogique de la conduite 37 qui permet cette injection. Cela permet de réaliser plus facilement un montage étanche de cette conduite à la traversée de la paroi supérieure 32. Une vanne V-136 peut être pré-montée de manière étanche sur la paroi supérieure 32 du module de sous-sol, avant le début de la séance. Cette vanne V-136 peut correspondre par exemple à une valve qui permet de gonfler et/ou dégonfler un pneu de voiture et/ou de vélo. La conduite 37 peut alors venir se brancher et se débrancher sur cette vanne V-136. Des instruments de mesure et/ou des capteurs de pression tel qu’un manomètre peut venir se brancher et se débrancher sur cette vanne V-136 de manière à mesurer la pression de gaz contenu au sein du compartiment 24. Le gaz injecté peut être notamment de l’air, de l’hélium, de l’azote, du dioxyde de carbone, du propane, du butane, ou un mélange d’au moins deux de ces gaz.

Le système pédagogique 1 de la figure IB convient bien à l’apprentissage des techniques et problématiques d’extraction d’un composé liquide par pompage.

Le système pédagogique peut encore être réalisé de façon à faciliter l’enseignement des problématiques liées à la présence d’un ou plusieurs gaz, par exemple utilisés pour faciliter l’extraction.

A titre d’exemple, on a représenté à la figure 2 une variante de réalisation du système destinée à simuler une installation comprenant un réseau de gaz.

Un puits 110 est activé par « gas lift » provenant d’une vanne V-12, le point d’injection étant représenté en pointillés. Le gaz est mis en contact avec le fluide produit par des orifices ou vannes de décharge 103, également représentés en pointillés. Le fluide produit passe par une vanne tête de puits V-l 1 et part dans une installation de surface 104. La vanne V-l6 permet de décomprimer l’espace annulaire dans lequel est injecté le gaz. Ce gaz de décompression peut être envoyé à une torche 100 en passant par une vanne de régulation V-l7 et un clapet anti-retour V-l9. La torche 100 peut permettre de simuler une torchère. La torche 100 peut correspondre à un système permettant de générer une flamme tel qu’une bougie, un briquet, un chalumeau ou un bec bunsen. La torche 100 peut également correspondre à une source lumineuse, notamment d’intensité variable (ampoule électrique ou LED d’intensité lumineuse variable par exemple). L’intensité lumineuse variable peut ainsi permettre de simuler l’intensité de torchage. D’autres puits tel qu’un puits 111 peuvent être connectés à la ligne de décompression. Le gaz décomprimé peut également être réutilisé en passant par la vanne V-21 pour rejoindre un compresseur E-5 ou une vanne V-22. La vanne V-22 permet de recevoir du gaz venant de 102, notamment du gaz provenant d’un séparateur comme décrit à la figure IB ou d’envoyer du gaz pour être traité/utilisé/séquestré. Le compresseur E-5 possède au moins une sortie et sert à comprimer le gaz devant être injecté pour permettre une activation améliorée des puits ou pour être séquestré en 105. Le gaz utilisé dans la maquette est par exemple un gaz hydrocarboné tel que du propane ou du butane, et de préférence un gaz non toxique et non inflammable tel que de l’hélium, de l’azote, du dioxyde de carbone, de l’air, ou un mélange d’au moins deux de ces gaz auquel est par exemple mélangé un composé odorant tel que de l’hydrogène sulfuré (H2S), à une concentration inférieure ou égale à 10 ppm. L’hydrogène sulfuré peut provenir d’une bouteille pressurisée, d’une boule puante à percuter (décomposition chimique à l’air du sulfure d’ammonium ((Ntb^S) ou de la réaction chimique entre le sulfure de fer (II) (FeS) et un acide tel que l’acide chlorhydrique.

Diverses sources de gaz sont possibles comme une bouteille/cartouche pressurisée 101. La pression du gaz comprimé est mesurée avec un manomètre 1-2 et le débit par un capteur 1-1. Un clapet anti-retour V-18 permet de protéger l’installation de compression. Le gaz comprimé peut permettre une production améliorée des puits en passant par le manifold V-14 et V-15 qui dirige le flux vers les puits 110 et 111 respectivement par les vannes V-12 et V-13. En cas de problème de sécurité, la vanne V15 permet de décomprimer le système.

Compartimentation du module de sous-sol

On a représenté à la figure 3 une variante de réalisation du module de sous-sol où un compartiment 203 est isolé d’un compartiment 200 par un compartiment 201 qui peut être assimilé à une couche imperméable. La présence du compartiment 201 permet de travailler sur le plan pédagogique de manière indépendante sur les compartiments 200 et 203.

La forme des compartiments peut être directement obtenue par impression 3D.

Le module de sous-sol comporte une enveloppe 202 présentant des excroissances 205 sur des faces opposées. Ces dernières sont par exemple moulées avec le récipient qui constitue l’enveloppe extérieure du module de sous-sol, et permettent de mettre en place sur la maquette le compartiment 201 par différentes méthodes.

De préférence, le compartiment 201 est formé à l’aide d’un ou plusieurs éléments souples, ce qui permet de les contraindre lors de l’insertion dans le module de sous-sol jusqu’à atteindre les excroissances 205.

On peut utiliser pour former le compartiment 201 des matériaux polymères qui sont utilisés notamment en microfabrication. Par exemple, une plaque de PDMS (polydimethylsiloxane) ou un dérivé de PDMS, qui ont l’avantage d’être transparent, flexible et sensiblement étanche aux liquides et aux gaz, ou une plaque de TPE (« thermoset » polyester) ou un dérivé de TPE, ou une plaque de PUMA (polyuréthane méthacrylate) ou un dérivé de PUMA, ou une plaque de NOA (Norland Optical Adhesives) ou un dérivé de NOA qui ont l’avantage, en plus d’être transparent et sensiblement étanche aux liquides et aux gaz, d’être compatible avec de nombreux solvants et de résister à la pression. Par ailleurs, ces matériaux polymères présentent l’avantage d’adhérer sur un grand nombre de matériaux tels que le verre ou le plastique par exemple, ce qui permet un contact étanche avec la paroi du module de sous-sol. Leur utilisation est donc préférable à l’emploi d’une plaque de Plexiglas ou de polystyrène accrochée à une paroi du module de sous-sol avec un joint silicone, qui n’adhère pas sur tous les types de matériaux et peut seulement être utilisé dans des conditions où il n’y a pas de liquide, ni de poussière. Les excroissances 205 permettent également d’améliorer les propriétés de résistance en pression du compartiment 201.

Le module de sous-sol représenté à la figure 4 comporte une cloison plane 402 qui permet la compartimentation du module de sous-sol 403 en un compartiment 400 supérieur et un compartiment inférieur 401, afin de simuler une faille géologique. La cloison 402 est par exemple insérée dans le module de sous-sol 403 via une glissière. Ceci présente l’avantage de permettre d’insérer un élément simulant une faille géologique dans le module de sous-sol 403 au moment voulu, en fonction de l’enseignement dispensé ou à dispenser. La cloison 402 peut également être réalisée directement dans le module de sous-sol 403 par impression 3D.

La figure 5 représente une variante où la cloison 402 n’est plus horizontale mais oblique.

Le module de sous-sol peut être réalisé de façon à simuler une couche géologique non homogène.

Dans l’exemple du module de sous-sol 500 illustré à la figure 6A, on a matérialisé par un dégradé sur la couche 501 la présence d’une hétérogénéité continue en taille de grains que l’on cherche à simuler, c’est-à-dire une hétérogénéité continue notamment en termes de porosité et/ou en termes de perméabilité et/ou en termes de mouillabilité et/ou en termes de concentration en fluide.

La couche 501 peut être réalisée par impression 3D, notamment par impression

3D multi-matériaux. Par cette technique, il est possible de réaliser un milieu poreux comportant des hétérogénéités telles que : des zones réalisées avec des matériaux possédant des propriétés différentes, notamment en termes de mouillabilité ; et/ou des zones de porosité et/ou perméabilité différentes réalisées avec le même matériau.

La couche 501 peut également être réalisée par un empilement de billes et/ou de particules. L’empilement peut être ordonné ou désordonné, ce qui permet d’obtenir différents degrés de compacités. Les particules peuvent par exemple être des particules utilisées en tant que phase stationnaire en chromatographie. Ces particules présentent l’avantage d’avoir une distribution de taille et de forme monodisperse et un état de surface contrôlé. Ces particules peuvent être par exemple des particules de silice. Les billes sont de forme générale sphérique et peuvent être à base de tout matériau, notamment résistant à la température et aux produits chimiques tels que les solutions aqueuses acides, alcalines, salines, les solvants organiques, les huiles et autres solutions non aqueuses. Les billes peuvent par exemple être à base de plastique (polyuréthane, ou polystyrène par exemple), et de préférence en verre (borosilicate par exemple). La taille des billes est par exemple comprise entre 1 micromètre et 15 centimètres, mieux entre 5 micromètres et 2 centimètres. Les billes sont de préférence transparentes ce qui permet de visualiser les fluides et leur circulation à l’intérieur (en profondeur) du milieu poreux et non uniquement en superficie. Les billes et particules peuvent présenter différents états de surface, par exemple poreux ou non poreux.

Un milieu poreux peut par exemple comporter au moins deux zones : une zone avec des billes de dimension calibrée A et une zone avec des billes de dimensions calibrée B. Cela peut notamment permettre de simuler l’hétérogénéité des milieux poreux, en termes de perméabilité par exemple. En variante, un milieu poreux peut comporter un empilement constitué de billes et/ou de particules possédant des tailles, des matériaux, des états de surface et des géométries différentes de manière à simuler de manière contrôlée un milieu poreux hétérogène en termes de porosité et/ou de perméabilité et/ou de mouillabilité.

Un traitement de surface d’une partie au moins du milieu poreux réalisé par impression 3D et/ou par empilement de billes et/ou de particules peut être réalisé, afin de modifier ses propriétés de mouillabilité, notamment par dépôt d’une couche de matériau (revêtement) possédant des propriétés hydrophiles ou oléophiles par exemple. Ce matériau peut être notamment une résine, une encre, une peinture (par exemple une peinture à base d’eau telle qu’une peinture acrylique ou alkyde, ou une peinture à base d’huile telle qu’une peinture glycéro ou époxy), un polymère, et peut être déposé en surface du milieu poreux notamment par un procédé de « dip-coating » ou « spray-coating ». Une résine telle que la NOA81 (Norland Optical Adhesive) par exemple est avantageusement utilisée car la mouillabilité de ce matériau est modifiable par exposition au rayonnement UV. Il est ainsi possible de réaliser par exemple des hétérogénéités locales en termes de mouillabilité par exposition localisée de la résine aux UV. Il est également possible de contrôler précisément l’angle de contact en contrôlant le temps d’exposition de la résine aux UV, ce qui permet de générer des zones possédant différents degrés de mouillabilités (angle de contact).

L’utilisation d’un milieu poreux réalisé au moins partiellement par impression 3D et/ou par empilement de billes et/ou de particules, et qui contient ou non ledit au moins un composé à extraire, est préférable à l’emploi d’un milieu poreux granulaire tel que du sable ou du gravier par exemple. En effet, dans un milieu poreux granulaire, la distribution de taille et de forme des grains, leur état de surface, et leur empilement sont des paramètres variables. Il est ainsi difficile de contrôler/maîtriser et déterminer à l’avance les paramètres du milieu poreux tels que sa porosité et/ou sa perméabilité et/ou sa mouillabilité et/ou sa concentration en fluide. Il est par exemple difficile de simuler une zone de sous-sol correspondant à un champ pétrolier existant par l’utilisation d’un milieu poreux granulaire.

La couche 502 correspond à une cloison simulant une couche géologique homogène.

La couche 503 correspond à une couche géologique continue. Cette couche 503 possède des amalgames 507 qui correspondent à des hétérogénéités incorporées/insérées pendant la fabrication du module de sous-sol 500, ou bien après sa fabrication, via un procédé d’injection d’une résine par exemple ou par un traitement de surface, par UV par exemple. Ces hétérogénéités peuvent être composées d’un matériau de nature différente du matériau constituant la couche géologique dans laquelle ils se trouvent, ou bien d’un matériau de même nature mais densifié/compacté. Les hétérogénéités peuvent être entièrement localisées dans une couche géologique, ou bien localisées à cheval entre deux couches géologiques.

Les compartiments 504 et 505 ont par exemple une structure de type « pinchout ». Ces structures géologiques sont difficiles à interpréter par sismique et à modéliser en écoulement dynamique : il s’agit d’une structure que l’on retrouve notamment en Mer de Norvège. Ils sont alors d’autant plus intéressants concernant l’aspect pédagogique.

La structure 506 est une hétérogénéité qui peut être réalisée par exemple avec du chlorure de sodium. Cela permet de simuler les structures géologiques de type « dôme de sel » que l’on retrouve notamment au Brésil. Les hydrocarbures sont, dans ce cas précis, localisés sous la structure concave 506. Cela rend difficile la production des hydrocarbures.

La figure 6B correspond à un module de sous-sol 515 présentant une faille oblique matérialisée par une cloison 512. Cette dernière est usinée afin de faire apparaître en son sein des canaux 513 et 514 permettant la connexion entre plusieurs compartiments. En variante, les canaux 513 et 514 sont directement fabriqués avec la cloison par impression 3D ou par moulage.

Le canal 514 situé au sein de la faille 512 permet la connexion entre les compartiments 508 et 511 tandis que le canal 513 situé au sein de la faille 512 permet la connexion entre les compartiments 509, 510 et 511. Cette cloison 512 permet de simuler une faille passante.

Systèmes de chauffage/refroidissement/échange thermique du module de soussol

Le système pédagogique peut comporter tout moyen permettant de chauffer ou refroidir un composé extrait ou injecté, ainsi qu’une ou plusieurs régions du module de sous-sol, afin par exemple de simuler l’élévation de la température avec la profondeur au sein de la croûte terrestre.

Des instruments de mesure et/ou des capteurs peuvent être disposés au sein du module 600 illustré à la figure 7 de manière à mesurer par exemple une pression et/ou une température au sein du module de sous-sol 600. Cela peut notamment permettre de mesurer l’élévation de température et ou de pression avec la profondeur au sein du module de soussol. Ces instruments de mesure et/ou ces capteurs de pression peuvent être par exemple des éléments piézoélectriques.

Dans le module de sous-sol 600, une élévation de température locale est simulée à l’aide d’un élément thermique 601 présent dans un compartiment simulant une couche géologique 607. L’élément 601 correspond par exemple à un morceau de charbon de bois chaud, par exemple à l’état de braise ou à un allume barbecue. L’élément 601 reçoit alors un flux d’air afin de permettre sa combustion. Cela permet de chauffer le module de sous-sol 600 de manière contrôlée en termes de durée, d’énergie calorifique dégagée et de stœchiométrie de la réaction chimique.

L’élément 601 peut également correspondre à une poche de glace (eau solide) ou de glace carbonique (CO2 solide) de manière à refroidir le module de sous-sol 600.

L’élément 601 peut encore correspondre à un mélange de glace et d’eau salée qui présente l’avantage de se refroidir très simplement et rapidement jusqu’à -21°C grâce à l’équilibre liquide-solide de l’eau salée.

L’élément 601 peut encore correspondre à une poche de gel chaud/froid ou à une poche de chaud/froid à percuter pour une action instantanée, de telles poches existant pour soulager les douleurs.

On peut aussi utiliser comme élément 601 un module Peltier permettant de refroidir le module de sous-sol 600.

Dans une variante, l’élément 601 est un mélange chimique stable en l’absence d’énergie extérieure. Un barreau aimanté est introduit dans la structure et sa mise en mouvement est réalisée depuis l’extérieur du module de sous-sol par effet d’induction. L’énergie apportée au système permet de créer une réaction chimique exothermique ou endothermique, selon les composés en présence.

Dans une autre variante, l’élément 601 est un système électrique qui est alimenté par voie filaire ou par induction depuis l’extérieur du module sous-sol : ceci permet de chauffer localement et de manière contrôlée le module de sous-sol.

Comme illustré, une sonde thermique 603 peut être insérée de manière horizontale dans le module de sous-sol 600 au niveau d’un compartiment simulant une couche géologique 605 au-dessus de l’élément 601. Cette sonde 603 correspond par exemple à celles habituellement utilisées dans les terrariums/vivariums.

En variante, on utilise comme sonde une résistance thermique 603 qui permet à la fois de chauffer et de lire la température de la couche géologique 605.

Une résistance chauffante ou une bobine inductrice 602 peut être insérée dans le module de sous-sol 600 au niveau d’un compartiment correspondant à une couche géologique 606 afin de permettre, par effet joule et/ou par courants induits, de chauffer ce compartiment.

Une pompe E-7, fonctionnant en circuit fermé 604, peut injecter un fluide caloporteur vers un échangeur E-6 (réchauffeur ou refroidisseur). Le fluide ainsi chauffé ou refroidi est alors injecté dans le module de sous-sol 600 au niveau de la couche géologique 605. Un échange de chaleur se produit entre le fluide et la couche géologique 605 de manière à chauffer ou refroidir cette dernière. Ce système de chauffage ou de refroidissement fonctionne en circuit fermé 604.

Des systèmes de chauffage et/ou de refroidissement 608 peuvent être situés à l’extérieur du module de sous-sol, en-dessous (comme représenté) ou à côté de celui-ci (non représenté). Il peut s’agir d’une plaque chauffante ou d’un bain de glace par exemple.

Des instruments de mesure et/ou des capteurs de température peuvent être insérés dans chaque compartiment afin de suivre le bon déroulement des échanges thermiques réalisés. Ceci est utile pour simuler la production des hydrocarbures visqueux et/ou denses (huiles lourdes, huiles extra-lourdes par exemple) ou de type hydrates (hydrates de méthane par exemple) qui nécessitent de réchauffer au moins une partie du module de sous-sol.

De préférence, afin de stabiliser la position des puits et de garder intègres les compartiments pendant les phases d’exploration et d’exploitation, on utilise pour réaliser les puits des conduits (encore appelés « pipes ») de diamètres différents disposés les uns dans les autres. Ces conduits peuvent être souples ou rigides, et peuvent être par exemple en plastique, verre, ou tout autre matériau étanche aux gaz et aux liquides et résistant à la pression, à la température et aux produits chimiques tels que les solutions aqueuses acides, alcalines, salines, les solvants organiques, les huiles et autres solutions non aqueuses.

La figure 8 représente un exemple de module de sous-sol dans lequel le puits 714 est réalisé avec plusieurs conduits de diamètres différents. Un conduit extérieur 709, de plus grand diamètre, peut être ancré ou fixé de manière étanche sur une couche de surface 716 du module de sous-sol. Pendant ou à la suite du forage, un conduit 715 est inséré, permettant d’extraire un composé présent dans un compartiment supérieur 702 par une zone de contact 705. Le conduit 715 est maintenu dans le conduit 709 par des points de contact permettant de garder le puits 715 fixe. Le conduit 715 vient faire étanchéité sur une zone 704 qui sépare le compartiment 702 d’un compartiment inférieur 701.

L’outil de forage peut être utilisé pour forer la suite du puits jusqu’au compartiment inférieur 701 de manière étanche. Un conduit 707 est ensuite descendu permettant de produire le compartiment 701 par des zones de contact 706 réalisées spécifiquement et par l’extrémité 710. Cette configuration permet d’exploiter de manière dissociée les compartiments 701 et 702. L’espace entre les conduits 709, 715 et 707 peut être nul ou non nul (sauf par exemple quelques points de contact afin d’assurer le positionnement du puits, notamment en surface où il est le plus aisé de réaliser des travaux sur les matériaux et aux extrémités des conduits).

Lors de l’exploitation, un bouchon amovible 708 peut être inséré afin d’isoler la zone de contact inférieure 710. La zone de contact supérieure 705 peut également être isolée par ajout d’un collier sur le conduit 707 pour venir étancher la zone de contact 705 ; ceci permet de laisser l’espace annulaire libre afin d’injecter un gaz par exemple. Dans l’espace annulaire, des tubes capillaires peuvent être descendus en même temps que les conduits afin d’injecter un quelconque fluide à une profondeur voulue pendant l’exploitation du puits (notamment un gaz).

On a illustré sur la figure 8 la possibilité pour le module de sous-sol de comporter des hétérogénéités 703 dans le compartiment 702, hétérogénéités qui peuvent notamment correspondre à des réactifs chimiques tels que des éléments métalliques, des éléments effervescents sous forme de comprimés, poudre ou granulés par exemple, des friandises telles que des pastilles de Mentos (marque déposée) par exemple, des éléments minéraux carbonatés, du saccharose sous forme de poudre par exemple, du chlorate de soude, du permanganate de potassium, de l’iodure de sodium, de l’iodure de potassium, du sulfate de fer (II) heptahydraté, du chlorure de fer (III), du sulfure de fer (II), du sulfùre d’ammonium, de la glace carbonique (carboglace), de la poudre explosive ou tout autres éléments utilisés en pyrotechnie, réagissant chimiquement avec un fluide introduit dans le module de sous-sol, dans le compartiment 702, par un puits injecteur situé à proximité de l’hétérogénéité 703 tel que le puits 760. Le fluide introduit peut être, notamment de l’eau, sous forme liquide ou vapeur, une solution aqueuse, une solution aqueuse chauffée, un indicateur coloré de pH tel que la phénolphtaléine, la thymolphtaléine, le rouge de crésol, le rouge de phénol ou le bleu de bromothymol par exemple, une solution aqueuse gazeuse telle qu’une boisson gazeuse comportant du dioxyde de carbone dissous sous forme d’acide carbonique par exemple, de l’eau oxygénée, un élément moussant tel que du liquide vaisselle, un acide ou une base par exemple. Si la réaction chimique produit un dégagement gazeux, notamment de la fumée, cette dernière peut remonter en surface par le puits injecteur 760 et/ou le puits producteur 750.

La réaction chimique entre un réactif chimique présent au sein du module de sous-sol et un fluide introduit dans le module de sous-sol peut être facilitée par un système d’agitation du milieu réactionnel. Le module de sous-sol peut par exemple comporter au moins un barreau magnétique, notamment dans le compartiment 702, près des hétérogénéités 703. La mise en rotation du barreau magnétique peut se faire depuis l’extérieur du module de sous-sol, par la mise en rotation d’un aimant notamment via un moteur à vitesse variable. Cette agitation permet d’homogénéiser le milieu réactionnel, ce qui facilite la réaction chimique.

Ces réactions peuvent provoquer dégagement gazeux, notamment de la fumée, chaleur et/ou gaz, permettant de simuler des accidents, notamment lors du forage d’un puits. Cela permet d’attirer l’attention des personnes utilisant le système pédagogique sur les risques et sur les précautions à prendre lors du forage ou de l’exploitation afin de conserver l’étanchéité des compartiments qui le nécessitent.

Un acide peut également être injecté dans un puits annexe 730 isolabié par une vanne V-23 afin d’améliorer l’extraction. L’acide injecté possède un pH inférieur à 5. L’acide injecté peut être un acide minéral, notamment l’acide chlorhydrique ou l’acide sulfurique ou l’acide nitrique. L’acide injecté peut également être un acide organique, notamment du groupe des acides carboxyliques tels que l’acide acétique, l’acide formique ou l’acide propionique par exemple, ou du groupe des acides sulfoniques.

Dans l’exemple du module de sous-sol de la figure 8, le compartiment 712 n’est pas exploité. Le puits 711 est un puits injecteur, notamment de gaz. Il peut être réalisé avec un capillaire et avoir été inséré dans le module de sous-sol en traversant la couche 720 sans perte d’étanchéité, grâce par exemple à l’emploi d’un polymère de type PDMS pour réaliser la couche 720.

L’exploitation du compartiment 700 s’effectue par une pompe E-8 immergée. Les compartiments 702 et 700 sont mis en contact par une liaison 714 qui traverse la cloison 713. Cette liaison peut notamment être initialement réalisée par impression 3D.

On peut réaliser le module de sous-sol de façon à simuler la réalisation de forages autres que purement verticaux, notamment des forages horizontaux.

A titre d’exemple, on a représenté à la figure 9 un module de sous-sol 800 qui comporte un guide 801 rigide pré-monté, par exemple une tige métallique. Un tuyau 802 peut être inséré autour de ce guide 801, permettant de réaliser un puits 802 avec un angle droit. La tige rigide 801 sert de guide au tuyau 802. On obtient un puits ayant une portion horizontale 802 sans avoir à réaliser de perçage horizontal. Le guide 801 et le tuyau 802 peuvent être tous deux pré-montés.

On peut encore réaliser un puits horizontal 803 à l’aide de deux perçages/forages dans le module de sous-sol 800, l’un vertical et l’autre horizontal, qui se rejoignent.

On a également représenté sur la figure 9 la possibilité d’avoir un puits horizontal 804 isolable de l’extérieur du module de sous-sol 800 par une vanne V-24 représentant une tête de puits. L’extraction ou l’injection via le puits 804 est réalisée sur le côté de la maquette, la vanne V-24 étant reliée par ailleurs à un élément de surface.

De préférence, le système pédagogique comporte des moyens de forage qui permettent de forer le module de sous-sol en améliorant le réalisme de la maquette, notamment en respectant l’étanchéité des différents compartiments traversés.

On a représenté à la figure 10 un premier exemple d’outil de forage.

Un contenant 900 permet d’injecter un fluide, notamment par gravité dans le cas d’un fluide liquide. Ce fluide est notamment un fluide représentatif d’un fluide de forage. Ce fluide de forage permet notamment d’avoir une pression dans le puits, au cours du forage ou après celui-ci par exemple, supérieure ou égale à la pression hydrostatique de la formation géologique simulée par le module de sous-sol, afin d’éviter une remontée de liquide ou de gaz. Ce fluide de forage permet également de diminuer l’échauffement de l’outil de forage au cours du forage d’un puits par une action lubrifiante. Ce fluide de forage permet également la remontée et l’évacuation des copeaux formés au cours du forage d’un puits. Le fluide simulant un fluide de forage peut être sous forme liquide ou gazeuse.

Sous forme liquide, le fluide peut être notamment de l’eau ou un fluide de coupe/perçage. Le fluide liquide est de préférence choisi parmi les fluides non-newtoniens, notamment les fluides thixotropes et/ou rhéofluidifïants. Le fluide liquide peut ainsi notamment être choisi parmi : une solution à base d’eau et/ou d’huile comportant notamment tout additifs habituellement utilisés pour ajuster la densité et/ou la viscosité des fluides de forage ; une solution à base de « Ketchup » ; un fluide comportant au moins de l’eau, du sable et de l’argile ; un fluide comportant au moins une charge minérale telle que la bentonite ; une solution à base d’amidon de maïs ; une solution comportant au moins un solvant polaire et/ou un solvant apolaire et/ou un solvant visqueux (glycérol, maltose, sirop de blé, sirop de maïs, ou sauce de soja sucrée par exemple) et/ou un polymère, notamment un polymère à base de polyacrylamide (Separan, PAM, HPAM, ou FLOPAM par exemple), un polymère à base de polyéther (poly(éthylène glycol), poly(oxyéthylène), poly(propylène glycol), ou poly(oxypropylène) par exemple), un polymère à base de polysaccharide (xanthane, ou acide hyaluronique par exemple), du polystyrène, du polyisobutylène.

Sous forme gazeuse, le fluide peut notamment comporter de l’air et/ou de l’azote et/ou de l’hélium et/ou du dioxyde de carbone. Parmi ces gaz, le fluide gazeux comporte de préférence de l’air et/ou de l’azote ; cela permet de se rapprocher de la réalité car certains forages pétroliers s’accompagnent d’une injection de tels fluides gazeux. Le fluide gazeux peut provenir d’une bouteille/cartouche pressurisée (air, hélium, azote, dioxyde de carbone par exemple), d’une pompe à air manuelle ou motorisée (correspondant par exemple à celle habituellement utilisée afin d’aérer/oxy gêner l’eau des aquariums), d’un compresseur (air par exemple) ou d’un compresseur-générateur combiné (azote par exemple) appartenant au système pédagogique.

Le fluide simulant un fluide de forage est de préférence non toxique et non irritant.

Le fluide de forage passe par une vanne V-26 pour atteindre la zone de forage. Le sens de circulation des fluides est indiqué par les flèches 906. Les fluides sont évacués par une vanne V-25 qui les dirige vers un système de traitement du flux de surface 903. Le fluide de forage peut être renvoyé après ouverture d’une vanne V-28 vers une entrée 908 du contenant 900, afin de maintenir le niveau de fluide dans celui-ci.

Un moyen de forage tel qu’un foret plein 905 est mis en rotation par un contact direct avec un moyen d’entraînement tel une perceuse 907. La vitesse de rotation du foret plein 905 peut être variable en utilisant par exemple un moyen d’entrainement comportant un moteur à vitesse variable. La vitesse de rotation du foret plein 905 peut être mesurée par au moins un instrument de mesure et/ou au moins un capteur. La valeur de la vitesse de rotation du foret plein 905 peut permettre de simuler la valeur du paramètre de forage RPM (« révolution per minute » en anglais). Une pression peut être exercée sur le foret plein 905 au cours du forage. La valeur de la pression exercée peut être variable. La pression exercée peut être réalisée par exemple en posant un élément d’une certaine masse sur l’extrémité supérieure du foret creux 905 (au niveau de sa queue) ou sur le moyen d’entrainement. La pression exercée sur le foret plein 905 peut être mesurée par au moins un instrument de mesure et/ou au moins un capteur. Cela peut permettre de simuler la valeur du paramètre de forage WOB (« weight on bit » en anglais). La profondeur ou distance forée en fonction du temps peut être mesurée par au moins un instrument de mesure et/ou au moins un capteur. Cela peut permettre de simuler le paramètre de forage ROP (« rate of pénétration » en anglais). Le système de forage permet donc l’apprentissage des différents paramètres de forage tels que le RPM, le WOB, et/ou le ROP.

Une étanchéité 904 peut être réalisée au niveau du foret avec un joint interchangeable. En 919 se situe le contact entre le module de forage et le module de soussol 930. L’étanchéité peut notamment être réalisée à ce niveau par contact direct ou par ancrage étanche du module 902, ce qui est notamment possible sur des matériaux plastiques souples tels que le PDMS, le PVC, etc.

Dans l’exemple de la figure 11, la référence 909 désigne un bac de récupération/traitement des fluides de forage. La mise en circulation des fluides est réalisée par un système non gravitaire tel qu’une pompe E-9.

Un conduit 911 permet de relier cette pompe au moyen de forage.

Dans cet exemple, on utilise un foret creux 912, permettant une circulation 918 du fluide à l’intérieur de celui-ci. Ce foret creux 912 peut être notamment un foret à trou d’huile. La pompe E-9 peut fonctionner en aspiration ou en refoulement. Le sens de circulation des fluides peut se faire comme indiqué par les flèches 918 (circulation directe : les fluides descendent à l’intérieur du foret creux 912 par refoulement de la pompe E-9 au niveau du conduit 911) ou dans le sens inverse (circulation inverse : les fluides remontent à l’intérieur du foret creux 912 par aspiration de la pompe E-9 au niveau du conduit 911).

Le débit et/ou la pression du fluide simulant le fluide de forage peuvent être mesurés par au moins un instrument de mesure et/ou au moins un capteur. Le débit et/ou la pression du fluide simulant le fluide de forage peuvent être également régulés par au moins un régulateur de débit et/ou au moins un régulateur de pression.

L’inclinaison du foret est ajustable par un point de contact 914, notamment réalisable par un système de roulement à billes, qui permet de maintenir le foret pendant sa rotation. L’inclinaison du foret peut être mesurée par au moins un instrument de mesure et/ou au moins un capteur. La mise en rotation du foret peut être réalisée par un système d’entrainement direct comme dans l’exemple de la figure 10, indirectement à l’aide d’un moteur 916 et d’une transmission à poulies et courroie(s) par exemple.

Dans l’exemple de la figure 12, le moyen de mise en rotation de la tête de forage 1002 d’un foret 1003 est réalisé à l’aide d’un élément 1000 qui permet de transformer un mouvement rectiligne en un mouvement de rotation. Il peut notamment être réalisé avec un système d’ailettes par exemple, de telle sorte que la pression du fluide circulant engendre un mouvement angulaire sur le foret.

Dans des variantes non illustrées, la circulation gravitaire provenant du contenant 900 de l’exemple de la figure 10 est remplacée par un système non-gravitaire, par exemple utilisation de la pompe E-9 de l’exemple de la figure 11.

Le foret plein 905 peut être remplacé par un foret creux 912 ou 1003, et viceversa.

L’injection non gravitaire par les pompes E-9 ou E-10 peut être remplacée par un système d’injection gravitaire à l’aide d’un contenant 900 surélevé. Les moyens d’étanchéité 919 et 920 sont interchangeables. La mise en rotation du foret peut avoir lieu par entrainement direct ou non.

Il est possible de réaliser des réactions chimiques libérant un gaz afin de pressuriser l’un des compartiments du module de sous-sol. Par exemple, un carbonate est initialement présent dans un compartiment du module de sous-sol. Ce carbonate réagit avec un acide introduit dans ce compartiment par tout moyen, par exemple via un capillaire, une seringue ou une pompe. La réaction chimique entraîne un dégagement de dioxyde de carbone au sein du compartiment, ce qui permet de pressuriser ce dernier. De la glace carbonique (carboglace) peut également être initialement présente dans un compartiment du module de sous-sol. Cette glace carbonique (carboglace) réagit à un stimulus, notamment thermique. Cela entraîne un dégagement de dioxyde de carbone au sein du compartiment, ce qui permet également de pressuriser ce dernier. Une solution gazeuse telle qu’une boisson gazeuse comportant du dioxyde de carbone dissous sous forme d’acide carbonique par exemple, peut également être initialement présente dans un compartiment du module de sous-sol. Le dégazage de cette solution, par exemple par agitation, entraîne un dégagement de dioxyde de carbone au sein du compartiment, ce qui permet également de pressuriser ce dernier.

On va maintenant décrire en référence à la figure 13 la possibilité de pressuriser de manière indépendante et contrôlée chaque compartiment 1101, 1102 ou 1103 d’un module de sous-sol 1100. Pour cela, des tubes capillaires 1106 sont insérés dans les compartiments, au niveau de ses faces latérale et/ou inférieure. Cela permet de ne pas gêner les forages des puits du module de sous-sol qui sont réalisés au niveau de sa face supérieure.

La référence 1105 désigne une source de gaz connectée aux capillaires 1106 qui peut avoir une pression supérieure ou inférieure à celle des différents compartiments dans le but de pressuriser ou dépressuriser lesdits compartiments.

Les sources de gaz peuvent être mises à la pression atmosphérique pour dépressuriser rapidement le système. Un système de vannes (V-30 à V-34) permet de contrôler l’injection du gaz au sein de chaque compartiment. Un système de manomètres permet de contrôler de manière continue la pression de chaque compartiment.

Le réseau de tubes capillaires 1106 peut être réalisé directement au sein du module de sous-sol 1100 par impression 3D. Cela présente l’avantage de ne plus avoir besoin d’insérer les tubes capillaires lors de la fabrication du module de sous-sol.

De préférence, on munit ces capillaires d’une connectique rapide.

Des mesures de pression peuvent être réalisées en aval de la vanne V-31, notamment entre le compartiment 1103 et la vanne V-31.

Il est possible de travailler en compression et en décompression. Ainsi la vanne V-31 permet de pressuriser le compartiment 1103 si une pression amont est supérieure à la pression du compartiment. Si la pression amont est plus faible, alors le compartiment est dépressurisé.

Des systèmes de vanne-purge localisés au niveau de chaque compartiment du module de sous-sol peuvent également permettre d’amener à la pression atmosphérique chaque compartiment, si nécessaire.

On va maintenant décrire en se référant à la figure 14 la possibilité de réaliser le système pédagogique de façon à simuler la technique de fracturation hydraulique.

Le module de sous-sol 1200 utilisé pour ce faire comporte un puits 1201 qui peut être vertical, oblique ou horizontal.

En surface, une capacité E-l3 permet de contenir le/les fluides nécessaires à la fracturation hydraulique. Les fluides utilisés peuvent par exemple être composés d’un mélange à base d’eau et/ou d’huile comprenant au moins du sable et/ou de la boue et/ou des additifs chimiques tels que des polymères ou des solvants visqueux par exemple. Ils peuvent être injectés avec une pompe, notamment une pompe hydraulique manuelle ou motorisée. Cette capacité est connectée à une pompe de compression E-ll, laquelle permet d’injecter dans le puits 1201 le fluide sous pression afin de fracturer un milieu 1203 contenu dans le module de sous-sol 1200.

La fracturation et la production ne sont jamais réalisées simultanément. La vanne V-37 permet d’isoler les instruments de mesure ou capteurs 1-3 et 1-4 (température et pression du puits, respectivement) afin de pouvoir contrôler l’état de la fracturation. La vanne V-36 permet d’isoler le puits de la production. Le puits est mis en production par une pompe E-12 qui est reliée aux capacités de traitement.

Une vanne V-35 permet d’isoler le système de pompage utilisé pour la fracturation du milieu 1203 et une vanne V-36 permet d’isoler le système de pompage servant à la production du puits 1201.

La couche 1202 contenue dans le module de sous-sol 1200 et située au-dessus de la couche 1203 correspond à un réservoir qui peut être un aquifère ou une nappe phréatique. Cela permet de représenter la difficulté de forer un puits 1201 à travers un aquifère ou une nappe phréatique 1202 sans l’endommager et la difficulté de fracturer un réservoir 1203 de manière contrôlée afin de ne pas polluer l’aquifère ou la nappe phréatique 1202. La couche 1202 peut être réalisée en tout matériau possédant une forte capacité d'absorption de l’eau liquide, tel que les éponges. La couche 1202 peut également correspondre à un récipient étanche au moins partiellement rempli de liquide. Le liquide contenu dans la couche 1202 peut être de l’eau liquide ou une solution aqueuse notamment salée et/ou colorée, afin de visualiser facilement une potentielle communication de l’aquifère/nappe phréatique avec la zone de production qui aurait été fracturée. Le milieu 1203 à fracturer peut notamment être en béton cellulaire ou réalisé par une stratification de fines lamelles de verre.

On a illustré sur la figure 15 la possibilité de réaliser le module de sous-sol avec un cratère en surface, dans les cas où les composés à extraire sont représentatifs d’huile lourde ou d’huile extra-lourde (bitume, sables bitumineux, etc.). Ces types de composés sont localisés en 1304. On simule ainsi des opérations dites de « mining de surface», telles que celles rencontrées notamment au Canada pour ces types de composés.

On a également représenté sur cette figure des puits 1302 et 1303 pour simuler des opérations de type SAGD (« Steam Assisted Gravity Drainage »).

Le puits 1302 est relié à une pompe E-14 et le puits 1303 à une pompe E-15. Un fluide chauffé, tel que de l’eau liquide chaude et/ou une vapeur d’eau chaude est injectée dans le réservoir 1301 via le puits 1303 et la pompe E-15. Ceci permet de diminuer la viscosité des composés à extraire présents dans le réservoir 1301. Une cellule de convection se créée, ce qui permet de produire les composés à extraire qui sont devenus plus légers, via le puits 1302 et la pompe E-14. La flèche 1305 montre la cellule de convection allant du haut vers le bas dans le cas où le puits chauffant est le puits 1303. La pompe E-14 peut être localisée en surface ou en fond de puits. Au cours de l’exploitation, il peut arriver que le fonctionnement des pompes E-15 et E-14 soit alterné : injection d’eau liquide chaude et/ou de vapeur d’eau chaude via le puits 1302 et la pompe E-14, et récupération/production via le puits 1303 et la pompe E-15, et inversement.

La distance et l’angle entre les puits 1302 et 1303 peuvent volontairement varier d’un module de sous-sol à l’autre afin de mettre en évidence leurs influences sur le mécanisme de production indiqué par la flèche 1305. Il est ainsi possible de déterminer leurs valeurs optimales.

L’injection d’un fluide chauffé peut être remplacée par l’insertion d’une résistance chauffante dans le module de sous-sol au niveau du réservoir 1301, ou par tout autre moyen de chauffage.

Les composés à extraire représentatifs d’huile lourde ou d’huile extra-lourde (« heavy or extra heavy crude oil » en anglais) localisés en 1304 et/ou 1301 sont dans cet exemple des solides et ou des liquides visqueux. Ces composés peuvent notamment être à base de tout corps gras étant sous forme pâteuse ou solide à température ambiante tel que graisse animale (beurre, suif, ou saindoux par exemple), graisse végétale (beurre de karité, beurre de cacao, graisse de noix de coco par exemple), graisse minérale (graisse de vaseline, ou paraffine par exemple), graisse synthétique ou tout autre composé apolaire étant sous forme pâteuse ou solide à température ambiante tel que sable bitumineux, bitume, cire, ou margarine par exemple. Ces composés à extraire, qui sont dans cet exemple représentatifs d’huile lourde ou d’huile extra-lourde, peuvent être colorés par ajout d’au moins un colorant, notamment un colorant soluble dans les composés ou fluides apolaires tel que les colorants appartenant au groupe Sudan (Sudan I, Sudan II, Sudan III,

Sudan IV, ou Oil Red O par exemple). L’ajout d’au moins un colorant a pour rôle de faciliter la visualisation des composés à extraire, et notamment leur circulation, et ceci dans un but pédagogique.

La figure 16 représente un module de sous-sol 1400 ayant un réservoir 1405 de géométrie anticlinale.

Les composés à extraire sont dans cet exemple des fluides liquides localisés dans le réservoir 1405, dont l’extraction est représentée par des flèches. Des puits limitrophes 1401 et 1404 servent de puits injecteurs. De l’eau ou une solution aqueuse est injectée depuis la surface vers le réservoir 1405 via les puits injecteurs 1401 et 1404. Cela permet de déplacer les composés à extraire vers le haut du réservoir 1405, où sont situés les puits producteurs 1402 et 1403.

Dans le cas d’une extraction à l’aide d’injection de gaz, les puits 1402 et 1403 sont des puits injecteurs de gaz, et les puits 1401 et 1404 sont des puits producteurs de liquide. En effet, l’interface liquide-gaz baisse si on injecte du gaz dans le haut du réservoir 1405 via les puits 1402 et 1403.

La figure 17 vise à illustrer la technique de production dite « Electrical Heating ». Le module de sous-sol 1500 comporte au moins trois puits, à savoir un puits producteur 1503 et deux puits injecteurs 1502 et 1504.

Le puits producteur 1503 est relié à une capacité de traitement E-16 en surface.

Les puits injecteurs 1502 et 1504 permettent d’injecter un fluide liquide, par exemple de l’eau salée correspondant à l’électrolyte, dans le réservoir 1501 via des points d’injection positionnés le long des puits au niveau du réservoir 1501.

Les puits injecteurs 1502 et 1504 permettent également, à partir d’électrodes 1505 positionnées le long des puits au niveau du réservoir 1501, de générer des cellules/courants électriques entre les deux puits 1502 et 1504.

L’injection d’électrolyte permet la propagation optimale du courant électrique transmis par les électrodes 1505. Cela permet de chauffer, par effet joule et/ou par effet d’induction, le réservoir 1501. Ce chauffage permet la production via le puits producteur 1503.

La figure 18 représente un module de sous-sol 1600 équipé d’une injection de gaz (notamment du CO2 ou vapeur d’eau) ou de liquide (notamment de l’eau, une solution de polymères, une solution de surfactants ou une solution « alkali » - polymères).

Le puits 1604 traverse deux réservoirs 1601 et 1603 et permet d’exploiter le réservoir 1603.

Le fonctionnement de ce puits 1604 est cyclique.

On procède tout d’abord à une injection de gaz (par exemple vapeur d’eau) pour chauffer le réservoir 1603 via le puits 1604. Le gaz chaud et saturé (par exemple un gaz saturé en vapeur d’eau) permet de baisser la viscosité des composés à extraire, de baisser la densité de l’effluent à extraire, d’augmenter l’énergie thermique du milieu (stockage de la chaleur) et/ou d’augmenter la pression du réservoir 1603.

Après la phase d’injection, une phase d’attente peut avoir lieu.

Ensuite, le puits 1604 est mis en production par fermeture de la vanne V-39 et ouverture de la vanne V-40. Une pompe E-18 peut être ajoutée afin de faciliter la mise en production du puits. La pompe E-18 peut être localisée en surface ou au sein du module de sous-sol 1600. Le cycle est ensuite répété.

Le système d’injection de gaz peut être composé d’une capacité ou d’une source de gaz E-20, qui est reliée à un échangeur afin de chauffer le gaz (vapeur d’eau). Le gaz est ensuite comprimé. Les blocs de compression et de chauffage peuvent être intervertis pour éviter d’exposer le compresseur à une température trop forte ou pour éviter d’avoir des condensais dans la pompe de compression. Le gaz comprimé en E-21 et chauffé en E-19 est ensuite injecté dans le réservoir 1602 de manière continue ou cyclique via le puits injecteur 1606 par ouverture de la vanne V-38.

Le gaz injecté va se propager en direction du puits producteur 1605. Cette injection de gaz permet un balayage de la zone supérieure du réservoir 1602. L’injection de gaz peut être remplacée par une injection d’un liquide pour mettre en évidence les procédés de récupération améliorée des hydrocarbures. Le liquide peut notamment contenir au moins un polymère qui va rendre le fluide injecté plus visqueux et élastique tout en s’adsorbant sur la surface du milieu poreux (modification de la taille des pores et de l’angle de contact), ou une solution alcaline qui va permettre d’activer des surfactants présents dans les fluides contenus dans le module sous-sol, ou une solution de surfactants qui va permettre de récupérer l’huile résiduelle. Le liquide injecté est de préférence une solution comportant au moins un solvant polaire et/ou un solvant apolaire et/ou un solvant visqueux (glycérol, maltose, sirop de blé, ou sirop de maïs, ou sauce de soja sucrée par exemple) et/ou un polymère, notamment un polymère à base de polyacrylamide (Separan, PAM,

HP AM, ou FLOP AM par exemple), un polymère à base de polyéther (poly(éthylène glycol), poly(oxyéthylène), poly(propylène glycol), ou poly(oxypropylène) par exemple), un polymère à base de polysaccharide (xanthane, ou acide hyaluronique par exemple), du polystyrène, du polyisobutylène, ou tout autre polymère ayant des applications ou non en termes de récupération améliorée du pétrole.

La figure 19 illustre la possibilité de réaliser le système pédagogique pour l’enseignement de la géothermie.

Le module de sous-sol 1900 comporte un puits 1930 simulant un puits géothermique dans une configuration de type SCW (pour « Standing Column Well » en anglais).

Le module de sous-sol 1900 contient un compartiment 1902 qui peut être chauffé et qui simule un réservoir géothermique tel qu’un aquifère, notamment un aquifère salin et/ou profond.

Le compartiment 1902 correspondant à un réservoir géothermique comporte un récipient 1904, lequel peut être réalisé de diverses façons et par exemple au moins partiellement en matière plastique, notamment transparente. Le matériau constitutif du récipient 1904 est avantageusement résistant à la pression, à la température et aux produits chimiques tels que les solutions aqueuses acides, alcalines, salines, les solvants organiques, les huiles et autres solutions non aqueuses. Ce récipient 1904 peut se présenter sous la forme d’un bac de forme générale rectangulaire ou sous la forme d’une poche de forme générale circulaire ou ellipsoïdale. Il peut être avantageux de réaliser le récipient 1904 avec au moins une fenêtre transparente permettant de voir le contenu de celui-ci.

Il est également avantageux de réaliser le récipient 1904 avec un couvercle amovible (non représenté) de façon à pouvoir le refermer, notamment avant son utilisation ou après celle-ci. Il s’agit par exemple d’un couvercle permettant une fermeture sensiblement étanche aux liquides et aux gaz. Le couvercle peut être muni d’un joint d’étanchéité.

La contenance du récipient 1904 est par exemple comprise entre 0,01 et 2000 Litres, mieux entre 0,1 et 20 L.

Le récipient 1904 peut comporter ou non un milieu poreux perméable, possédant notamment une forte capacité d'absorption pour les fluides liquides.

Le récipient 1904 est rempli au moins en partie par un fluide correspondant audit au moins un composé à extraire. Le fluide est un liquide, de préférence une solution aqueuse, notamment une solution aqueuse comportant au moins un additif ayant des propriétés calo-vectrices et/ou au moins un sel et/ou au moins une base et/ou au moins un acide et/ou au moins un colorant. L’ajout d’au moins un additif dans la solution aqueuse a pour rôle de conférer des propriétés calo-vectrices à la solution aqueuse. L’additif ayant des propriétés calo-vectrices peut être, par exemple un alcool tel que du méthanol et de préférence un alcool non toxique tel que de l’éthanol, et/ou un polyéther tel que l’éthylène gycol ou le propylène gycol. L’ajout d’au moins un sel dans la solution aqueuse a pour rôle de simuler la salinité et/ou la dureté de l’eau présente dans les aquifères, notamment les aquifères salins. Le sel peut être, par exemple du chlorure de sodium et/ou du carbonate de calcium et/ou du chlorure de potassium et/ou du chlorure de calcium et/ou du sulfate de magnésium. L’ajout d’au moins une base et/ou d’au moins un acide dans la solution aqueuse a pour rôle de simuler le pH de l’eau présente dans les aquifères. Le fait d’être capable de simuler la salinité et/ou la dureté et/ou le pH de l’eau présente dans les aquifères, rend le système pédagogique particulièrement réaliste et facilite notamment l’enseignement des problématiques de dégradation et d’endommagement des installations géothermiques telles que la corrosion, le dépôt et la précipitation de sels, l’entartrage, etc. L’ajout d’au moins un colorant dans la solution aqueuse a pour rôle de faciliter la visualisation du fluide, et notamment sa circulation, et ceci dans un but pédagogique. Le colorant est de préférence un colorant soluble dans les fluides aqueux et/ou alcooliques tel que l’érythrosine, et/ou la fluorescéine, et/ou la rhodamine, et/ou le bleu de méthylène, et/ou le « Orange G » par exemple.

Le chauffage du fluide contenu au sein du compartiment 1902 peut se faire notamment via un système comportant au moins une résistance chauffante 1903 disposée tout autour du récipient 1904 et/ou sur/au sein de la paroi du récipient 1904 (non représenté) et/ou au sein du récipient 1904 (non représenté), similairement au système de chauffage des bouilloires électriques. Le système comportant au moins une résistance chauffante 1903 peut être configuré de manière à produire un gradient de température qui croit avec la profondeur au sein du module de sous-sol 1900, et ceci afin de simuler l’élévation de la température avec la profondeur au sein de la croûte terrestre (gradient géothermique). Le fluide contenu au sein du compartiment 1902 peut être chauffé à une température qui est inférieure à sa température d’ébullition, de préférence entre 40 et 80°C.

Le puits géothermique 1930 permet d’accéder au réservoir géothermique 1902 depuis la surface du module de sous-sol. Le puits géothermique 1930 contient une conduite 1901 destinée à l’extraction d’un fluide contenu dans le réservoir géothermique 1902, et une conduite 1931 destinée à l’injection d’un fluide dans le réservoir géothermique 1902. Une pompe 1915 est présente au sein du réservoir géothermique 1902. Cette pompe peut être notamment électrique et/ou étanche aux liquides et aux gaz. Cette pompe 1915 peut être immergée en totalité au sein du fluide qui est contenu dans le réservoir géothermique 1902. Cette pompe 1915 simule une pompe submersible. Cette pompe 1915 peut correspondre par exemple à une pompe submersible utilisée afin de traiter/filtrer l’eau des aquariums. Cette pompe 1915 est reliée à la conduite 1901 comme décrit sur la figure 19. L’ensemble pompe 1915 et conduite 1901 peut être contenu dans une conduite 1932 de plus grand diamètre possédant à son extrémité une crépine ou un filtre ou un fritté 1933. Le fluide chauffé, composé de liquide et de vapeur, qui est contenu dans le réservoir géothermique, est pompé vers la surface à l’aide d’une pompe submersible 1915 à travers une conduite 1901 contenue dans le puits géothermique 1930. Un échangeur de chaleur 1906 disposé en surface permet de récupérer les calories du fluide pompé, avant que ce dernier ne soit réinjecté dans le réservoir géothermique 1902 à travers une conduite 1931 contenue dans le puits géothermique. En amont de l’échangeur de chaleur, une fraction (entre 0 et 100 %) du fluide pompé en surface peut alimenter un circuit d’eau 1910, simulant un circuit domestique par exemple, par ouverture/fermeture adéquate des vannes 1970 et 1971. De même, en aval de l’échangeur de chaleur, une fraction (entre 0 et 100 %) du fluide pompé peut être dirigé vers une purge 1911 par ouverture/fermeture adéquate des vannes 1980 et 1981.

Dans les deux cas, le fluide pompé doit être traité/purifié (filtration, désinfection, désacidification, adoucissement, etc.) avant de rejoindre le circuit d’eau 1910 ou bien la purge 1911. En aval de l’échangeur de chaleur, il est également possible d’injecter un fluide dans le réservoir géothermique par l’ouverture totale ou partielle de la vanne 1990. Des pompes de surface 1920 peuvent également permettre de pomper ou d’injecter un fluide dans le réservoir géothermique, en complément ou en remplacement de la pompe submersible 1915.

Au niveau de la surface du module de sous-sol 1900, des vannes 1950 et 1960 sont positionnées respectivement sur les conduites 1901 et 1931. L’ouverture et la fermeture totale ou partielle de ces vannes permettent de contrôler et réguler les débits dans les conduites 1901 et 1931. Ces vannes 1950 et 1960 permettent de simuler des têtes de puits (arbres de Noël).

Des instruments de mesure et/ou des capteurs peuvent être présents comme représenté dans la figure 19, permettant de mesurer par exemple une pression, un débit et/ou une température du fluide extrait ou injecté dans le réservoir géothermique 1902.

La figure 20 illustre une configuration dite à deux puits avec un puits injecteur 2001 et un puits producteur 2002.

La figure 21 illustre une configuration dite à trois puits, avec un puits injecteur 2101 et deux puits producteurs 2102.

Un liquide peut être présent au-dessus du module de sous-sol et/ou à la surface de celui-ci. Le module de sous-sol peut également être immergé en totalité ou en partie dans un liquide. Celui-ci est de préférence une solution aqueuse. La solution aqueuse peut par exemple comporter au moins un sel (chlorure de sodium et/ou carbonate de calcium et/ou chlorure de potassium et/ou chlorure de calcium et/ou sulfate de magnésium par exemple) et/ou au moins un colorant hydrosoluble (bleu de méthylène par exemple). Le liquide peut ainsi permettre de simuler l’eau de mer. La hauteur du liquide peut être variable et contrôlable via un système d’injection et de purge qui peut notamment être motorisé. Ce système d’injection et de purge peut être localisé au niveau des faces latérales et/ou au niveau de la face inférieure du récipient contenant le fluide liquide. Cela peut permettre de simuler une exploitation offshore.

Le système pédagogique selon l’invention comporte avantageusement un panneau de contrôle 2200, tel qu’illustré à la figure 22 par exemple.

Le panneau 2200 peut comporter divers indicateurs destinés à(aux) l’instructeur(s) et/ou aux stagiaires, tels qu’un indicateur 2201 de température, ainsi le cas échéant qu’un moyen de réglage 2202 de la température. Le panneau 2200 peut comporter d’autres indicateurs tels que des indicateurs de pression, débit, profondeur, niveau, etc.

Le panneau 2200 peut également comporter divers interrupteurs 2203 de mise en marche ou d’arrêt d’équipements, par exemple de pompes, et/ou permettant d’actionner des vannes.

Des voyants lumineux 2205 peuvent servir d’alarmes visuelles afin de renseigner par exemple sur des défaillances de vannes, des pannes, des niveaux anormaux, etc.

Le panneau 2200 peut être complété par une horloge 2206 qui donne par exemple le temps écoulé depuis le début de la séance, ainsi que par un écran 2207 qui peut afficher diverses informations.

Tous les éléments du panneau 2200 peuvent être commandés par un microordinateur de type PC ou par une carte informatique dédiée au système pédagogique, équipé(e) de toute interface de puissance et/ou d’entrées/sorties adaptée.

Avantageusement, on génère par simulation à l’aide d’un ordinateur des données d’exploration-production, notamment des données sismiques, de production, de diagraphies, de pressions, réservoirs et/ou géologiques sismiques correspondant à la nature des formations géologiques qui sont simulées par le module de sous-sol.

On peut entrer dans un logiciel adapté tel que MatLab des dimensions réelles et simulées du module de sous-sol, telles que par exemple la profondeur simulée correspondante.

On peut définir ensuite différentes cases matricielles servant au calcul, correspondant aux différents compartiments du module sous-sol, et entrer des équations des surfaces qui délimitent chaque compartiment.

On peut définir des données moyennes pour chaque compartiment de la maquette, concernant par exemple la porosité, la perméabilité, la masse volumique, le module d'Young, le coefficient de Coulomb, le coefficient de Poisson, la compressibilité adiabatique, la viscosité, le « skin » (terme pétrolier pour quantifier le décalage par rapport au cas idéal de la liaison puits-réservoir communément appelée liaison couche-trou), etc.

On choisit ensuite la méthode de peuplement de chaque compartiment, par exemple homogène, distribution gaussienne centrée, distribution normale, variation linéaire, etc.

On peut alors calculer des données propres à chaque case matricielle.

Par exemple, pour une onde sismique se propageant avec 0=0°, on peut calculer l'impédance acoustique de chaque case matricielle avec une forme simplifiée donnée par Zac = p*c, où p est la masse volumique de la case et c la célérité d'une onde acoustique transversale (ou onde sismique P).

Par colonne, on peut calculer le coefficient de réflexion en amplitude r entre les case i et i+1. L’utilisation de l'équation de Zoeppritz sous forme simplifiée avec une incidence normale 0=0° permet de simuler une propagation uniquement verticale d'une onde.

On peut donner un code couleur aux valeurs numériques des coefficients de réflexion en amplitude : par exemple min(r) = rouge et max(r) = bleu et afficher une image 3D colorée correspondant à une image sismique.

De préférence, on ajoute des échelles horizontales spatiales correspondant au sous-sol simulé. L'échelle verticale spatiale z peut être convertie en échelle temporelle Two-Way-Time (TWT) comme sur des données sismiques réelles.

On peut calculer la composante TWT de chaque case de la matrice M(x=fixé,y=fixé,z=fixé,TWT=à calculer), afin de pouvoir afficher une image sismique dans l'espace (x,y,TWT).

On peut calculer le temps de propagation de la surface jusqu'au sous-sol TWTref en faisant l’hypothèse d'une célérité moyenne de fonde entre l'émetteur et le dessus du module de sous-sol (par exemple 2400m/s).

La composante temporelle de la case (x=fixé,y=fixé,z=l,TWT) est donnée par TWTref+2*d*c, où d est l'épaisseur de la case qui a été définie au début (dans l’exemple considéré 1 mètre) et c la célérité de fonde dans la case. On multiplie par 2 pour respecter l'échelle TWT.

La composante temporelle de la case M (x=fixé, y=fixé,z=i,TWT, d=connu, c=connu) est donnée par valeur temporelle TWT de la case (x,y,z=i-l) à laquelle on ajoute 2 fois le temps de propagation d'une onde dans la case (x,y,z=i), car l'épaisseur et la célérité dans la case spatiale (x,y,z) sont connus.

On construit alors l'échelle temporelle des données sismiques 3D. On choisit enfin les surfaces/plans à exporter avec les échelles adaptées, en particulier dans l'espace (x,y,TWT). Il est possible de tronquer des données ou de réaliser une mise à l’échelle afin d'avoir un rendu visuel spécifique (par exemple pour des couches lithologiques sans intérêt pour le projet).

Claims (40)

1. REVENDICATIONS

   1. Système (1) à visée pédagogique, relatif aux techniques d’extraction pétrolières, à la séquestration de carbone et/ou à la géothermie, comportant :

   - Un module de sous-sol (31) d’échelle réduite, comportant au moins un puits (27 ; 36) et/ou permettant la réalisation d’au moins un puits par forage, comportant au moins un composé à extraire, notamment un composé représentatif d’un hydrocarbure,

   - au moins un moyen permettant une extraction continue, notamment gravitaire, dudit au moins un composé pendant une phase représentative de l’exploitation du puits.
2. 2. Système selon la revendication 1, le module de sous-sol (31) fonctionnant en système ouvert.
3. 3. Système selon l’une des revendications 1 et 2, comportant un moyen (50 ; E-101) pour maintenir un certain niveau de fluide dans le module de sous-sol, le système comportant notamment un capteur de niveau du fluide extrait au sein du module de soussol (31), de telle sorte que lorsque le niveau de fluide descend sous un certain seuil, une injection de liquide est réalisée dans le module de sous-sol à partir d’une source de fluide pour compenser la quantité déjà extraite.
4. 4. Système selon l‘une des revendications 1 à 3, comportant au moins deux moyens permettant une extraction (27 ; 36), notamment différents.
5. 5. Système selon l’une des revendications 1 à 4, comportant au moins un moyen permettant une extraction, au moins partiellement contenu au sein du module de sous-sol, notamment un moyen au moins partiellement immergé.
6. 6. Système selon l’une quelconque des revendications précédentes, comportant au moins un outil de forage (905 ; 912 ; 1002) pour réaliser au moins un puits par forage du module de sous-sol.
7. 7. Système selon la revendication 6, l’outil de forage comportant au moins un injecteur, notamment motorisé, d’au moins un fluide dans le puits foré ou en cours de forage, notamment un fluide liquide tel que de l’eau, ou un fluide de coupe/perçage, ou un fluide liquide non-newtonien ou thixotrope ou rhéofluidifiant, tel qu’une solution à base d’eau ou d’huile comportant notamment tous additifs habituellement utilisés pour ajuster la densité ou la viscosité des fluides de forage, ou une solution à base de « Ketchup », ou un fluide comportant au moins de l’eau, du sable et de l’argile, ou un fluide comportant au moins une charge minérale telle que de la bentonite, ou une solution à base d’amidon de maïs, ou une solution comportant au moins un solvant polaire et/ou un solvant apolaire ou un solvant visqueux et/ou un polymère, ou un fluide gazeux comportant au moins de l’air ou de l’azote ou de l’hélium ou du dioxyde de carbone.
8. 8. Système selon l’une quelconque des revendications précédentes, comportant un module de production, au moins partiellement en surface du module de sous-sol, à côté de celui-ci ou immergé, permettant de traiter un flux extrait du module de sous-sol ou une fraction de celui-ci, ce moyen de production comportant notamment un séparateur (E-3) et/ou un compresseur de gaz.
9. 9. Système selon l’une quelconque des revendications précédentes, le module de sous-sol comportant au moins un élément (18) réalisé par une technique de fabrication additive, de préférence par impression 3D.
10. 10. Système selon l’une quelconque des revendications précédentes, le module de sous-sol comportant au moins un cloisonnement (17) qui simule une faille géologique et/ou une compartimentation géologique/réservoir, réalisé par impression 3D, notamment un cloisonnement étanche comportant une ou plusieurs ouvertures prédéfinies simulant une faille passante.
11. 11. Système selon l’une quelconque des revendications précédentes, le module de sous-sol comportant un milieu poreux réalisé au moins partiellement par impression 3D, qui contient ou non ledit au moins un composé à extraire.
12. 12. Système selon l’une quelconque des revendications précédentes, le module de sous-sol comportant des cloisons constituées par de simples plaques amovibles.
13. 13. Système selon l’une quelconque des revendications précédentes, comportant au moins un système motorisé, notamment une pompe (E-l) actionnée par un moteur électrique pour prélever ledit au moins un composé à extraire et/ou injecter un fluide dans le module de sous-sol.
14. 14. Système selon l’une quelconque des revendications précédentes, comportant au moins un moyen pour injecter un fluide, notamment un gaz ou un liquide, dans le module de sous-sol.
15. 15. Système selon l’une quelconque des revendications précédentes, comportant un moyen pour injecter dans le module de sous-sol un fluide ayant au moins une action physico-chimique sur ledit au moins un composé à extraire et/ou sur un milieu poreux du module de sous-sol, notamment sa tension de surface, sa rhéologie, sa masse volumique, sa porosité, sa perméabilité et/ou sa mouillabilité.
16. 16. Système selon l’une quelconque des revendications précédentes, comportant des éléments de paysage ou de relief de surface, notamment d’échelle réduite, à la surface du module de sous-sol, notamment des éléments de paysage ou de relief réalisés par impression 3D, notamment des éléments de paysage ou de relief réalisés à partir d’au moins une image satellite, LIDAR (Light Détection And Ranging), SRTM (Shuttle Radar Topography Mission), ou infrarouge d’une région où se situe le champ dont on cherche à simuler l’exploitation, ces éléments de paysage ou de relief comportant de préférence des éléments reproduisant à échelle réduite des éléments naturels tel que la faune, la flore, une forêt, un volcan, un cours d’eau, un lac ou la mer, ou des éléments reproduisant à échelle réduite de éléments artificiels tels que des cultures, bâtiments, monuments, habitations, routes, chemins, voies ferrées, canaux, limites administratives, aéroports, gares, plateformes de forage (« drilling rig » en anglais), zones d’atterrissage (« drop zone » en anglais), blocs obturateurs de puits (« blow out preventer » en anglais), têtes de puits, barrages hydroélectriques ou éoliennes.
17. 17. Système selon l’une quelconque des revendications précédentes, comportant un système de production et/ou de stockage d’énergie, notamment des panneaux solaires et/ou des batteries.
18. 18. Système selon l’une quelconque des revendications précédentes, ledit au moins un composé à extraire étant initialement contenu de façon étanche dans le module de sous-sol.
19. 19. Système selon l’une quelconque des revendications 1 à 17, ledit au moins un composé à extraire étant fabriqué extemporanément in situ du module de sous-sol, notamment du dioxyde de carbone produit par une réaction chimique entre un composé solide carbonaté et un acide.
20. 20. Système selon l’une quelconque des revendications précédentes, le module de sous-sol étant au moins partiellement immergé dans un liquide, de préférence une solution aqueuse, notamment salée et/ou colorée, et/ou le système comportant au-dessus du module de sous-sol et/ou à la surface de celui-ci un liquide.
21. 21. Système selon l’une quelconque des revendications précédentes, ledit au moins un composé à extraire étant choisi parmi des fluides gazeux, des composés ou solvants polaires, des composés ou solvants apolaires, des colorants, des composés traceurs, des suspensions, des émulsions, des solutions aqueuses comportant au moins un additif ayant des propriétés calo-vectrices ou un sel ou une base et/ou un acide ou un colorant, des solutions comportant au moins un solvant polaire et/ou un solvant apolaire ou un solvant visqueux et/ou un polymère, des fluides non-newtoniens, des fluides amphiphiles.
22. 22. Système selon l’une quelconque des revendications précédentes, comportant au moins un moyen pour réaliser une injection, notamment gravitaire, pour le forage.
23. 23. Système selon l’une quelconque des revendications précédentes, comportant un système informatique exécutant un logiciel permettant de commander le fonctionnement du module d’extraction au moins.
24. 24. Système selon l’une quelconque des revendications précédentes, le module de sous-sol au moins étant contenu dans une valise ou malle, et de préférence tous les modules le sont.
25. 25. Système selon l’une quelconque des revendications précédentes, comportant au moins un tableau de bord, affichant notamment des informations provenant d’instruments de mesure ou de capteurs disposés notamment dans le module de sous-sol ou dans un module de production, ou relatives au fonctionnement du module d’extraction ou des informations ramenées à l’échelle réelle, concernant au moins une température, pression, débit ou profondeur.
26. 26. Système selon l’une quelconque des revendications précédentes, comportant un système de chauffage (602) et/ou de refroidissement, notamment d’une partie au moins du module de sous-sol.
27. 27. Système selon l’une quelconque des revendications précédentes, comportant un moyen pour émettre un signal audio, vibratoire, lumineux et/ou olfactif, reproduisant celui d’un équipement du module d’extraction et/ou relatif au forage et/ou à l’exploitation.
28. 28. Système selon l’une quelconque des revendications précédentes, comportant un module de surface configuré pour se fixer de façon amovible par friction et/ou encliquetage sur le module de sous-sol, notamment comportant un élément de paysage et/ou de relief de surface.
29. 29. Système selon l’une quelconque des revendications précédentes, comportant un réseau de tuyaux muni de connecteurs rapides comportant au moins une entrée connectée à au moins une sortie, notamment un manifold comportant plusieurs entrées connectées à une sortie.
30. 30. Système selon l’une quelconque des revendications précédentes, le module de sous-sol comportant un solide soluble dans l’eau, notamment du chlorure de sodium, sous forme de bloc ou sous forme pulvérulente.
31. 31. Système selon l’une quelconque des revendications précédentes, comportant des moyens pour réinjecter dans le module de sous-sol une partie au moins dudit au moins un composé à extraire, ou une fraction au moins d’un flux extrait du module de sous-sol, notamment une fraction aqueuse, huileuse ou gazeuse, le flux réinjecté pouvant comporter un fluide additionnel non présent dans le flux extrait.
32. 32. Système selon l’une quelconque des revendications précédentes, comportant des moyens pour générer des données d’exploration-production, notamment des données sismiques, de production, de diagraphies, de pressions, réservoirs et/ou géologiques.
33. 33. Système selon l’une quelconque des revendications précédentes, le module de sous-sol comportant au moins une zone d’un matériau choisi dans la liste constituée par un matériau d'impression 3D, particules et/ou billes utilisées notamment sous forme d’empilement, solide soluble dans l’eau sous forme de bloc ou sous forme pulvérulente, matériau solide hydrophile ou oléophile utilisé notamment sous forme de revêtement, matériau élastomère, matériau polymère utilisé notamment en micro-fabrication, élément solide d’origine végétale, élément solide d’origine minérale sous forme de bloc, poudre, grains, billes, ou granulés utilisé notamment en tant que matériau adsorbant, matériau à base de fibres minérales, végétales ou synthétiques utilisé notamment en tant qu’isolant dans le bâtiment, matériau poreux notamment sous forme de mousse solide, sable comportant entre 0 et 20% en masse d’huile de silicone, béton cellulaire, stratification de fines lamelles de verre, matériau poreux monolithique, charbon, métal sous forme de plaque ou de feuille, plastique sous forme de film étirable, matériau gonflant lorsque mis en contact avec un fluide.
34. 34. Système selon l’une quelconque des revendications précédentes, comportant des moyens pour réaliser un forage horizontal dans le module de sous-sol.
35. 35. Système selon l’une quelconque des revendications précédentes, le module de sous-sol comportant au moins un réactif chimique, notamment des éléments métalliques, des éléments effervescents sous forme de comprimés, poudre ou granulés par exemple, des friandises telles que des pastilles de Mentos (marque déposée) par exemple, des indicateurs colorés de pH, des éléments minéraux carbonatés, du saccharose sous forme de poudre par exemple, du chlorate de soude, des éléments moussants tels que du liquide vaisselle par exemple, du permanganate de potassium, de l’iodure de sodium, de l’iodure de potassium, du sulfate de fer (II) heptahydraté, du chlorure de fer (III), du sulfure de fer (II), du sulfure d’ammonium, de la glace carbonique (carboglace), de la poudre explosive ou tous autres éléments utilisés en pyrotechnie, pouvant réagir chimiquement avec un fluide introduit dans le module de sous-sol, notamment pour simuler un accident.
36. 36. Système selon l’une quelconques des revendications précédentes, le module de sous-sol étant choisi parmi deux modules de sous-sol ayant chacun au moins l’un des paramètres porosité-perméabilité-mouillabilité évoluant d’une façon qui lui est propre et différente de celle de l’autre module de sous-sol, notamment spatialement et/ou temporellement.
37. 37. Système selon l’une quelconque des revendications précédentes, comportant au moins un moyen permettant une régulation d’au moins un flux ou une fraction de celui-ci, notamment des vannes, des régulateurs de pression, de niveau et/ou de débit.
38. 38. Procédé pour simuler à l’aide d’un système tel que défini dans l’une quelconque des revendications précédentes le comportement réel d’une installation d’exploitation pétrolière, de géothermie ou de séquestration de carbone, dans lequel on génère des données d’exploration-production, notamment des données sismiques, de production, de diagraphies, de pressions, réservoirs et/ou géologiques, correspondant à la modélisation de sous-sol reproduite par le module de sous-sol.
39. 39. Procédé d’utilisation d’un système selon l’une quelconque des revendications 1 à 37 pour simuler au moins une technique d’extraction pétrolières, de séquestration de carbone et/ou de géothermie, dans lequel on extrait du module de sous-sol d’échelle réduite au moins un composé, notamment un composé représentatif d’un hydrocarbure.
40. 40. Procédé selon la revendication 39 dans lequel on soumet le module de soussol à un apport de chaleur et/ou de froid, notamment à l’aide d’une plaque chauffante.