FR3119677A1 - Système et procédé de récupération et quantification des gaz piégés dans une roche - Google Patents

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Abstract

La présente invention concerne un système et un procédé de récupération des gaz piégés dans au moins une roche, mettant en œuvre des moyens de broyage de la roche (2) et une ligne de piégeage des gaz (3). La ligne de piégeage (3) comprend deux pièges cryogéniques (5, 8), un pour piéger des espèces gazeuses « condensables », le second pour piéger d’autres gaz, et un raccord (13) pour au moins un récipient de récupération. La présente invention concerne également un procédé d’analyse de gaz mettant en œuvre le procédé de récupération des gaz piégés selon l’invention. Figure 1 à publier

Description

Système et procédé de récupération et quantification des gaz piégés dans une roche
La présente invention concerne le domaine de l’analyse des gaz piégés dans une roche, notamment dans le but d’interpréter ce que contient une formation souterraine avant son exploitation.
Par exemple, si une formation souterraine comporte du sulfure d’hydrogène H2S, ce gaz peut former un risque lors de l’exploitation de cette formation souterraine, notamment pour le forage d’un puits. Il est donc intéressant de récupérer et d’analyser les gaz piégés (c’est-à-dire contenus) dans un échantillon de roche issu de la formation souterraine.
Les gaz piégés dans une roche sont difficilement analysables, en raison de la nature de la roche, et en raison des faibles quantités de gaz présentes dans un échantillon de roche.
Plusieurs systèmes et méthodes ont été mis en œuvre pour analyser ces gaz. Généralement ces méthodes comprennent des étapes de broyage de l’échantillon de roche, afin de libérer les gaz présents dans celui-ci, puis des étapes de piégeage et/ou d’analyse des gaz issus de la roche.
Par exemple, la demande de brevet EP0414564 concerne un tel dispositif et une telle méthode. Toutefois, le système mis en œuvre est particulièrement destiné pour l’analyse des hydrocarbures, de plus, le système est complexe, car il est prévu pour une séquence de broyages d’échantillons de roche. En outre, le gaz issu du broyage est directement analysé, par conséquent si la quantité de gaz est faible, l’analyse peut ne pas être mise en œuvre ou peut être erronée.
La demande de brevet US2012/0233095 concerne également une telle méthode. Toutefois, la méthode réalise uniquement une mesure de la pression en fonction du temps. Une telle mesure de pression ne permet pas une analyse précise des gaz piégés dans la roche.
La demande de brevet CN101900713 concerne également une telle méthode. Elle met en œuvre le broyage de la roche, un piégeage froid des gaz issus du broyage et une analyse chromatographique en ligne. Toutefois, une telle méthode ne propose que l’identification du gaz libéré, et ne permet pas la quantification du gaz par masse de roche, et ne permet pas la récupération du gaz pour d’autres analyses que la chromatographie.
La présente invention a pour but de récupérer les gaz piégés dans une roche, afin de les analyser de manière précise, notamment pour une quantification. Dans ce but, la présente invention concerne un système et un procédé de récupération des gaz piégés dans au moins une roche, mettant en œuvre des moyens de broyage de la roche et une ligne de piégeage des gaz équipé éventuellement d’un capteur de pression. La ligne de piégeage comprend deux pièges cryogéniques, un pour piéger des espèces gazeuses « condensables », le second pour piéger d’autres gaz, et un raccord pour au moins un récipient de récupération. Ainsi, la ligne de piégeage permet de piéger les gaz issus de la roche broyée puis de les récupérer sous forme d’aliquote pour différentes analyses de gaz.
La présente invention concerne également un procédé d’analyse de gaz mettant en œuvre le procédé de récupération des gaz piégés selon l’invention.
L’invention concerne un système de récupération des gaz piégés dans au moins une roche, ledit système comprenant des moyens de broyage de ladite au moins une roche et une ligne de piégeage des gaz libérés par le broyage de ladite au moins une roche. Ladite ligne de piégeage comprend successivement un premier piège cryogénique à une première température, un deuxième piège cryogénique à une deuxième température inférieure à ladite première température, et un raccord pour au moins un récipient de récupération desdits gaz piégés dans lesdits premier et deuxième pièges cryogéniques.
Selon un mode de réalisation, ledit système comprend des moyens de mise sous vide de ladite ligne de piégeage.
Conformément une mise en œuvre, lesdits premier et deuxième pièges cryogéniques comportent un tube en U refroidis respectivement à ladite première température et à ladite deuxième température.
Selon un aspect, ledit tube en U dudit deuxième piège cryogénique comprend une phase adsorbante d’au moins un gaz, de préférence un gel de silice et/ou une zéolite.
Avantageusement, ladite première température est comprise entre -100 °C et -50°C, de préférence entre -80° et -60°C.
De manière avantageuse, ladite deuxième température est comprise entre -100°C et -269°C, de préférence entre -100°C et -196°C.
Selon une option de réalisation, ledit système comprend des moyens d’injection d’un gaz inerte, notamment de l’hélium, dans lesdits moyens de broyage et/ou dans ladite ligne de piégeage.
De préférence, ladite ligne de piégeage comprend au moins une jauge de pression.
Conformément à un mode de réalisation, ledit raccord pour ledit récipient de récupération est un raccord verre-métal.
De manière avantageuse, ledit récipient de récupération est adapté à une chromatographie gazeuse GC, et/ou un couplage chromatographie gazeuse – combustion/pyrolyse – spectrométrie isotope de masse (GC-C-IRMS).
Selon une caractéristique, ledit système comprend des moyens de chauffage desdits premier et deuxième pièges cryogéniques pour libérer lesdits gaz piégés.
Selon une mise en œuvre, ledit système comprend des moyens de mesure de la masse de roche broyée.
Selon un mode de réalisation, ladite ligne de piégeage comprend des vannes agencées entre chaque composant.
Selon un aspect, lesdits moyens de broyage sont formés par un broyeur planétaire ou par un broyeur par agitation magnétique.
De plus, l’invention concerne un procédé de récupération des gaz piégés dans au moins une roche au moyen d’un système selon l’une des caractéristiques précédentes. Pour ce procédé, on met en œuvre les étapes suivantes :
  1. On broie ladite au moins une roche dans lesdits moyens de broyage ;
  2. On récupère lesdits gaz issus de ladite au moins une roche broyée dans ladite ligne de piégeage au moyen des étapes suivantes :
    1. On piège une partie des gaz dans ledit premier piège cryogénique à ladite première température ;
    2. On piège une partie des gaz dans ledit deuxième piège cryogénique à ladite deuxième température inférieure à ladite première température ; et
    3. On extrait lesdits gaz piégés dans lesdits premier et deuxième pièges cryogéniques dans au moins un récipient de récupération connecté à ladite ligne de piégeage par ledit raccord.
Selon un mode de réalisation, ledit procédé comprend une étape préalable de mise sous vide de ladite ligne de piégeage.
Conformément à une mise en œuvre, ledit procédé comprend une étape préalable de nettoyage desdits moyens de broyage et de ladite ligne de piégeage par injection d’un gaz inerte, notamment de l’hélium.
Selon un aspect, on extrait lesdits gaz piégés dans lesdits premier et deuxième pièges cryogéniques par chauffage desdits premier et deuxième pièges cryogéniques.
Selon une option de réalisation, on mesure la pression dans la ligne de piégeage au moyen d’un capteur de pression, et on quantifie les gaz piégés après avoir libéré les gaz piégés dudit deuxième piège cryogénique dans un volume calibré au moyen de ladite pression mesurée.
En outre, l’invention concerne un procédé d’analyse de gaz piégés dans au moins une roche, dans lequel on met en œuvre les étapes suivantes :
  1. On récupère lesdits gaz piégés dans ladite au moins une roche au moyen du procédé de récupération des gaz piégés dans au moins une roche selon l’une des caractéristiques précédentes ; et
  2. On analyse lesdits gaz récupérés dans ledit au moins un récipient de récupération, notamment par une chromatographie gazeuse GC, et/ou un couplage chromatographie gazeuse – combustion/pyrolyse – spectrométrie isotope de masse (GC-C-IRMS).
Selon un mode de réalisation, on répète l’étape de piégeage desdits gaz pour une pluralité d’échantillons broyées de la même roche avant l’étape d’analyse.
Conformément à une mise en œuvre, on analyse la présence et/ou la quantité de sulfure d’hydrogène H2S dans ladite roche.
D'autres caractéristiques et avantages du système et du procédé selon l'invention, apparaîtront à la lecture de la description ci-après d'exemples non limitatifs de réalisations, en se référant aux figures annexées et décrites ci-après.
Liste des figures
La illustre un système de récupération des gaz piégés dans une roche selon un mode de réalisation de l’invention.
La présente invention concerne un système et un procédé de récupération des gaz piégés dans au moins un roche, en particulier pour analyser ces gaz.
Selon l’invention, le système de récupération des gaz piégés dans au moins une roche comporte :
  • Des moyens de broyage de la roche, le broyage de la roche permettant de libérer les gaz piégés dans celle-ci,
  • Une ligne de piégeage des gaz libérés (en d’autre termes un dispositif de piégeage des gaz libérés), cette ligne de piégeage des gaz est reliée aux moyens de broyage de manière à piéger les gaz libérés par le broyage de la roche, cette ligne de piégeage comporte successivement :
    • Un premier piège cryogénique (c’est-à-dire à une basse température négative en degré Celsius) à une première température, de manière à piéger une partie des gaz par refroidissement de ceux-ci, afin de piéger des espèces gazeuses dites « condensables » telles que la vapeur d’eau, ou le CO2,
    • Un deuxième piège cryogénique (c’est-à-dire à une basse température négative en degré Celsius) à une deuxième température, la deuxième température étant inférieure à la première température, de manière à piéger une partie des gaz qui n’ont pas été piégés dans le premier piège cryogénique, par refroidissement plus important de ceux-ci, en particulier afin de piéger les espèces dites « incondensables » telles que l’H2S, l’azote, le méthane et éventuellement une partie des espèces gazeuses « condensables » non piégés dans le premier piège cryogénique, et
    • Un raccord pour au moins un récipient (par exemple une ampoule en verre) de récupération des gaz piégés dans les premier et deuxième pièges cryogéniques, en d’autres termes des moyens de connexion pour raccorder ladite ligne de piégeage avec un récipient.
Les composants de la ligne de piégeage sont reliés par des conduites, en particulier des conduites en métal permettant de résister aux températures mises en œuvre. Toutefois, d’autres matériaux de conduites adaptées aux températures peuvent également être utilisés.
Un tel système permet de préconcentrer les gaz issus du broyage de roche. En effet, il permet d’accumuler dans les premier et deuxième pièges cryogéniques, les gaz issus de broyages successifs de plusieurs roches (par exemple de plusieurs grammes ou plusieurs centaines de grammes de roche). De plus, un tel système n’est pas limité à un seul type d’analyse.
De préférence, les moyens de broyage peuvent ne comprendre pas de moyens de chauffage. Ainsi les gaz sont libérés uniquement par le broyage, et le système ne nécessite aucun moyen complexe de chauffage de la roche. En outre, le broyage permet de libérer le gaz plus rapidement que le chauffage, et peut consommer moins d’énergie. De plus, les gaz libérés sont à température de la roche, ce qui favorise un refroidissement rapide dans les pièges cryogéniques.
Selon un mode de réalisation de l’invention, le système peut comprendre en outre des moyens de mise sous vide secondaires de la ligne de piégeage, par exemple au moyen d’une pompe turbo moléculaire, ou toute pompe analogue. Ainsi, préalablement au piégeage des gaz issus du broyage de la roche, il est possible de mettre sous vide la ligne de piégeage, notamment pour éviter que des gaz résiduels restent dans les premier et deuxième pièges.
Conformément à une mise en œuvre de l’invention, les premier et deuxième pièges cryogéniques peuvent comporter un tube U. De préférence, le tube en U peut être plongé dans un milieu à la température souhaitée (respectivement à la première température et à la deuxième température). Cette forme en U favorise le refroidissement et le piégeage. Un tel système peut être refroidi par un dispositif de récipient cryogénique (type « Dewar »), qui permet une très bonne isolation thermique, et par conséquent un maintien de la température souhaitée.
De manière avantageuse, au moins un tube en U peut comprendre une phase adsorbante d’au moins un gaz. En d’autres termes, une phase adsorbante du gaz peut être agencée à l’intérieur du tube en U, en particulier dans la partie courbe du U. Cette phase adsorbante favorise le piégeage du gaz. Par exemple, la phase adsorbante peut comprendre un gel de silice ou une zéolite. La zéolite présente une plus grande porosité, donc une plus grande surface sur laquelle les gaz peuvent s’absorber. Le gel de silice présente un temps de dépiégegage moins important.
Selon un mode de réalisation, le deuxième piège cryogénique peut comprendre une phase adsorbante.
Selon un aspect de l’invention, la première température peut être comprise entre -100 °C et -50°C, de préférence entre -80 et -60°C. Une telle température peut être obtenue notamment au moyen d’une bouillie (de l’anglais « slush ») formée par exemple d’éthanol et d’azote liquide. Ce premier piège cryogénique permet notamment de piéger des espèces « condensables », notamment l’eau, issus du broyage de la roche.
De plus, la deuxième température peut être fixée entre -100°C et -269°C, de préférence entre -100°C et -196°C. Elle peut être obtenue de la même manière, avec un mélange d’éthanol et d’azote liquide, la température minimale de -196°C ne nécessitant aucun ajout d’éthanol dans l’azote liquide, puisque c’est celle de l’azote liquide. S’il y a besoin de piéger de l’Helium ou de l’H2, alors de l’Hélium liquide peut être utilisé à la place de l’azote liquide afin de descendre jusqu’à -269°C.Ce deuxième piège cryogénique permet de piéger les gaz autres que l’eau, issus du broyage de la roche. Il peut s’agir de gaz dit condensables (tel le CO2qui se piège à -145°C) ou incondensables (tels le CH4ou l’H2S qui se piègent à température de l’azote liquide de -196°C, sur une phase adsorbante).
Afin de libérer les gaz piégés dans les premier et/ou deuxième pièges cryogéniques, il peut être prévu des moyens pour réchauffer les premier et/ou deuxième pièges cryogéniques. Les moyens de chauffage des premier et deuxième pièges cryogéniques peuvent notamment prendre la forme d’un pistolet thermique (« heatgun ») ou d’un sèche-cheveux, ou tout dispositif analogue.
Conformément à un mode de réalisation de l’invention, le système peut comporter en outre, des moyens d’injection d’un gaz inerte, tel que l’hélium, dans les moyens de broyage et/ou dans la ligne de piégeage. L’hélium ne se piège pas dans les premier et deuxième pièges cryogéniques, et peut donc facilement être pompé après avoir transporté les autres espèces gazeuses dans les pièges cryogéniques. Ces moyens d’injection peuvent être prévus dans les moyens de broyage pour traverser successivement les moyens de broyage et la ligne de piégeage. Les moyens d’injection permettent de nettoyer le système avant une nouvelle utilisation, de manière à éviter les éventuels gaz résiduels, qui peuvent perturber l’analyse.
Pour favoriser l’analyse du gaz et pour surveiller les différents éléments, la ligne de piégeage peut comprendre en outre au moins une jauge de pression, appelé également capteur de pression. Selon un exemple non limitatif, la jauge de pression peut être comprise entre le deuxième piège cryogénique et le raccord pour récipient de récupération. Ce capteur permet, en utilisant la loi des gaz parfaits, de quantifier les gaz par quantité de roches broyées. Cette jauge de pression peut être associée à des moyens d’affichage et/ou d’enregistrement de la pression pour favoriser l’analyse des gaz libérés par le broyage de la roche.
Selon un mode de réalisation, le raccord pour récipient de récupération peut être un raccord verre-métal permettant de connecter la ligne de piégeage à des récipients, notamment des ampoules en verre pour récupérer les gaz libérés par le broyage de la roche. Le raccord peut être notamment un raccord pour le vide « Ultra-Torr » de la société Swagelok qui est adapté pour le vide, pour les basses températures, et qui présente une étanchéité élevée même pour des déconnexions répétées. Avantageusement, le récipient de récupération peut être également refroidi, par exemple à la deuxième température. Pour cela, le récipient de récupération peut être plongé dans un récipient (type « Dewar ») contenant un milieu à un température cryogénique, par exemple à la deuxième température. Selon un exemple non limitatif, ce milieu à la deuxième température peut être de l’azote liquide. Une vanne peut contrôler le passage de gaz dans cette zone refroidie.
De manière avantageuse, le récipient de récupération peut être adapté pour différentes analyses des gaz libérés, parmi lesquelles : une chromatographie gazeuse GC, et/ou un couplage chromatographie gazeuse – combustion/pyrolyse – spectrométrie isotope de masse (GC-C-IRMS). Ces chromatographies permettent de mesurer notamment la composition des gaz dans le récipient de récupération.
Selon une option de réalisation, le système peut comprendre des moyens de mesure de la masse de la roche broyée. Cette mesure permet lors de l’analyse de quantifier les différents gaz par masse de roche.
Selon un mode de réalisation de l’invention, la ligne de piégeage peut comprendre une pluralité de vannes, notamment des vannes spécialisées pour résister à un vide secondaire (inférieur à 10-3mbar). Plus spécifiquement, le système peut comprendre des vannes à étanchéité de surface par joint métallique (de type « VCR »). Ces vannes peuvent permettre d’isoler différentes parties de la ligne de piégeage, notamment pour mettre en œuvre les composants les uns après les autres. De préférence, les vannes peuvent être agencées entre chaque composant, de manière à pouvoir isoler chaque composant. Ainsi, une vanne peut être prévue entre les moyens de broyage et le premier piège cryogénique, entre le premier piège cryogénique et le deuxième piège cryogénique, et entre le deuxième piège cryogénique et le raccord.
De plus, pour le mode de réalisation pour lequel le système est équipé de moyens de mise sous vide, une vanne peut être prévue entre la ligne de piégeage et les moyens de mise sous vide.
En outre, pour le mode de réalisation pour lequel le système est équipé de moyens d’injection de gaz inerte, une vanne peut être prévue entre les moyens d’injection de gaz inerte et les moyens de broyage.
De manière avantageuse, les vannes peuvent être pilotées, de manière à automatiser les différentes étapes de la mise en œuvre du système selon l’invention.
Selon un mode de réalisation, le système peut comprendre en outre des moyens de pilotage du système. Les moyens de pilotage peuvent piloter les moyens de broyage et les éventuelles vannes de la ligne de piégeage, afin d’automatiser le système. Ces moyens de pilotage peuvent être des moyens informatiques. Pour le mode de réalisation pour lequel le système comprend des moyens de mesure de la masse de la roche, les moyens informatiques peuvent également comprendre des moyens d’enregistrement de la masse mesurée, cette mesure peut être utile pour l’analyse des gaz libérés par le broyage de la roche. Pour le mode de réalisation pour lequel le système comprend une jauge de pression, les moyens informatiques peuvent également comprendre des moyens d’enregistrement de la pression mesurée, cette mesure peut être utile pour l’analyse des gaz libérés par le broyage de la roche. En outre, ce système informatique peut être prévu pour piloter l’analyse des gaz, par exemple pour piloter la chromatographie, ou tout système de mesure analogue. Le système informatique peut comprendre également des moyens d’affichage des mesures et les moyens de pilotage.
Conformément à une mise en œuvre de l’invention, les moyens de broyage peuvent être formés par un broyeur planétaire. Un tel broyeur est adapté pour les différentes roches afin de réduire la roche en poudre. Alternativement, d’autres broyeurs peuvent être utilisés tels que des broyeurs par agitation magnétique, ou tout broyeur analogue.
En outre, l’invention concerne un procédé de récupération des gaz piégés dans au moins une roche. Le procédé met en œuvre le système selon l’une quelconque des variantes ou des combinaisons de variantes décrites ci-dessus. Pour ce procédé, on peut mettre en œuvre les étapes suivantes :
  1. On broie la roche dans les moyens de broyage pour libérer les gaz piégés dans la roche ;
  2. On récupère les gaz issus de la roche broyée dans la ligne de piégeage au moyen des étapes successives suivantes :
    1. On piège une partie des gaz dans un premier piège cryogénique à une première température, de manière à piéger une partie des gaz par refroidissement de ceux-ci, afin de piéger des espèces gazeuses dites « condensables » telles que la vapeur d’eau, ou le CO2;
    2. On piège une partie des gaz dans un deuxième piège cryogénique à une deuxième température, la deuxième température étant inférieure à la première température, de manière à piéger une partie des gaz par refroidissement de ceux-ci, en particulier afin de piéger les espèces dites « incondensables » telles que l’H2S, l’azote, le méthane et éventuellement une partie des espèces gazeuses « condensables » non piégés dans le premier piège cryogénique ;
    3. Eventuellement, on mesure la pression dans la ligne de piégeage au moyen d’un capteur de pression, et on peut quantifier les gaz piégés après avoir libéré les gaz piégés dans un volume calibré, en effet, la pression de gaz lue sur le capteur de pression permet d’estimer avec précision le volume de gaz grâce à la loi des gaz parfaits ; et
    4. On extrait les gaz piégés dans les premier et/ou deuxième pièges cryogéniques dans au moins un récipient de récupération connecté à la ligne de piégeage par le raccord.
Selon une mise en œuvre de l’invention, le procédé peut comprendre une étape préalable de mise sous vide des moyens de broyage et de la ligne de piégeage. Ainsi, préalablement au broyage de la roche, il est possible de mettre sous vide la ligne de piégeage, notamment pour éviter que des gaz résiduels restent dans les premier et deuxième pièges cryogéniques.
Conformément à une mise en œuvre de l’invention, la première température peut être réglée à une température comprise entre -100 °C et -50°C, de préférence entre -80° et -60°C. Une telle température peut être obtenue notamment au moyen d’une bouillie (de l’anglais « slush ») formée par exemple d’éthanol et d’azote liquide. Ce premier piège cryogénique permet notamment de piéger des espèces « condensables », notamment l’eau, issus du broyage de la roche.
De plus, la deuxième température peut être fixée entre -100°C et -269°C, de préférence entre -100°C et -196°C. Elle peut être obtenue de la même manière, avec un mélange d’éthanol et d’azote liquide, la température minimale de -196°C ne nécessitant aucun ajout d’éthanol dans l’azote liquide, puisque c’est celle de l’azote liquide. S’il y a besoin de piéger de l’Helium ou de l’H2, alors de l’Hélium liquide peut être utilisé à la place de l’azote liquide afin de descendre jusqu’à -269°C.Ce deuxième piège cryogénique permet de piéger les gaz autre que l’eau, issus du broyage de la roche. Il peut s’agir de gaz dit condensables (tel le CO2qui se piège à -145°C) ou incondensables (tels le CH4ou l’H2S qui se piègent a température de l’azote liquide de -196°C, sur une phase adsorbante).
Pour l’étape de quantification et d’extraction, on peut chauffer le deuxième piège cryogéniques, notamment grâce à des moyens de chauffage qui peuvent notamment prendre la forme d’un pistolet thermique (« heatgun ») ou d’un sèche-cheveux, ou tout dispositif analogue.
Conformément à un mode de réalisation de l’invention, le procédé peut comporter en outre, une étape préalable d’injection d’un gaz inerte, tel que l’hélium, dans les moyens de broyage et dans la ligne de piégeage. Cette étape d’injection peut être prévue pour une injection dans les moyens de broyage pour traverser successivement les moyens de broyage et la ligne de piégeage. Cette étape d’injection permettent de nettoyer le système avant une nouvelle utilisation, de manière à éviter les éventuels gaz résiduels.
Pour favoriser l’analyse du gaz et pour surveiller les différents éléments, on peut mesurer la pression dans la ligne de piégeage, notamment au moyen d’une jauge de pression. Selon un exemple non limitatif, on peut mesurer la pression après la deuxième étape de piégeage cryogénique et le raccord pour récipient de récupération.
De manière avantageuse, on peut extraire le gaz piégé dans les pièges cryogéniques au moyen d’au moins un récipient de récupération, qui peut avoir la forme d’une ampoule en verre, et qui peut être adapté pour différentes analyses des gaz libérés, parmi lesquels : une chromatographie gazeuse GC, et/ou un couplage chromatographie gazeuse – combustion/pyrolyse – spectrométrie isotope de masse (GC-C-IRMS). Ces chromatographies permettent de mesurer notamment la composition des gaz dans le récipient de récupération.
Selon une option de réalisation, le procédé peut comprendre une étape de mesure de la masse de la roche broyée. Cette mesure permet lors de l’analyse de quantifier les différents gaz par masse de roche.
Pour le mode de réalisation de l’invention pour lequel la ligne de piégeage peut comprendre une pluralité de vannes, le procédé peut comprendre des étapes d’ouverture ou de fermeture des vannes pour mettre en œuvre les étapes du procédé. Ces vannes peuvent permettre d’isoler différentes partie de la ligne de piégeage, notamment pour mettre en œuvre les étapes les unes après les autres. De préférence, les vannes peuvent être agencées entre chaque composant, de manière à pouvoir isoler chaque composant. Ainsi le procédé peut comprendre une ou plusieurs des étapes suivantes :
- fermeture d’une vanne entre les moyens de broyage et la ligne de piégeage pendant l’étape de broyage,
- ouverture de la vanne entre les moyens de broyage et la ligne de piégeage pendant l’étape de récupération des gaz dans la ligne de piégeage, cette ouverture permettant le transfert du gaz des moyens de broyage dans la ligne de piégeage,
- pendant le piégeage dans le premier piège cryogénique, ouverture de la vanne entre les moyens de broyage et la ligne de piégeage et fermeture de la vanne entre les deux pièges cryogéniques, de manière à isoler seulement le première piège cryogénique,
- pendant le piégeage dans le deuxième piège cryogénique, ouverture de la vanne entre les deux pièges cryogéniques et fermeture de la vanne entre le deuxième piège cryogénique et le raccord, de manière à isoler seulement le deuxième piège cryogénique,
- pendant l’extraction dans le récipient de récupération, ouverture de la vanne entre le deuxième piège cryogénique et le raccord, de manière à remplir le récipient de récupération.
De plus, pour le mode de réalisation pour lequel le procédé comprend une étape de mise sous vide, une vanne peut être prévue entre la ligne de piégeage et les moyens de mise sous vide. Lors de la mise sous vide, toutes les vannes du système peuvent être ouvertes, de manière à mettre sous vide tous les éléments du système.
En outre, pour le mode de réalisation pour lequel le procédé comporte une étape moyens d’injection de gaz inerte, on peut ouvrir/fermer une vanne qui peut être prévue entre les moyens d’injection de gaz inerte et les moyens de broyage pour réaliser l’étape d’injection. Lors de l’injection de gaz inerte toutes les vannes du système peuvent être ouvertes, de manière à nettoyer l’ensemble du système, à l’exception de l’éventuelle vanne de la conduite reliée aux moyens de mise sous vide. Pour le mode de réalisation pour lequel le procédé comprend une étape de mise sous vide et une étape d’injection de gaz inerte, l’injection de gaz inerte peut être préalable à la mise sous vide.
Ainsi, le procédé peut comprendre une étape de pilotage des vannes, lorsque les vannes sont pilotables, de manière à automatiser les différentes étapes de la mise en œuvre du système selon l’invention.
Selon un mode de réalisation, au cours de l'étape de pilotage, on peut également piloter les moyens de broyage et les éventuelles vannes de la ligne de piégeage, afin d’automatiser le procédé. Ces moyens de pilotage peuvent être des moyens informatiques. Pour le mode de réalisation pour lequel le procédé comprend des étapes de mesure de la masse de la roche, les moyens informatiques peuvent également comprendre des moyens d’enregistrement de la masse mesurée, cette mesure peut être utile pour l’analyse des gaz libérés par le broyage de la roche. Pour le mode de réalisation pour lequel le procédé comprend une jauge de pression, les moyens informatiques peuvent également comprendre des moyens d’enregistrement de la pression mesurée, cette mesure peut être utile pour l’analyse des gaz libérés par le broyage de la roche. En outre, ce système informatique peut être prévu pour piloter l’analyse des gaz, par exemple pour piloter la chromatographie, ou tout système de mesure analogue.
En outre, l’invention concerne un procédé d’analyse de gaz piégés dans au moins une roche, dans lequel on met en œuvre les étapes suivantes :
  1. On récupère les gaz piégés dans la roche au moyen du procédé de récupération des gaz selon l’une quelconque des variantes ou des combinaisons de variantes décrites précédemment ; et
  2. On analyse les gaz récupérés dans l’au moins un récipient de récupération, notamment au moyen d’une chromatographie gazeuse GC, et/ou un couplage chromatographie gazeuse – combustion/pyrolyse – spectrométrie isotope de masse (GC-C-IRMS)
Selon un mode de réalisation de l’invention, on peut répéter les étapes de piégeage dans les premier et deuxième pièges cryogéniques pour plusieurs échantillons broyés de la même roche (issus du même milieu souterrain), avant leur extraction et leur analyse. Ce mode de réalisation permet de préconcentrer les gaz issus du broyage de roche. En effet, il permet d’accumuler dans les premier et deuxième pièges cryogéniques, les gaz issus de broyages successifs de plusieurs roches (par exemple de plusieurs grammes ou plusieurs centaines de grammes de roche). Ainsi, l’analyse de la composition des gaz est facilitée, car la quantité de gaz peut convenir au système d’analyse mis en œuvre, notamment la chromatographie. Ce mode de réalisation est particulièrement avantageux, lorsque le procédé comporte une étape de mesure de la masse de la roche broyée pour déterminer la quantité de gaz par masse de roche.
Conformément à une mise en œuvre de l’invention, on analyse la présence et la quantité de sulfure d’hydrogène H2S parmi les gaz issus de la roche. Cette analyse peut permettre notamment de déterminer la dangerosité d’une possible exploitation de la formation souterraine de laquelle est issue la roche analysée.
La illustre, schématiquement et de manière non limitative, un système de récupération des gaz piégés dans au moins une roche selon un mode de réalisation de l’invention. Le système de récupération des gaz piégés 1 comprend des moyens de broyage 2 et une ligne de piégeage des gaz 3 connectée aux moyens de broyage 2 pour récupérer les gaz issus du broyage de la roche. La ligne de piégeage 3 comprend un premier piège cryogénique 5, un deuxième piège cryogénique 8, et un raccord 13 pour au moins un récipient de récupération du gaz. La ligne de piégeage 3 comprend également des conduites qui relient chaque élément de la ligne de piégeage 3. Sur cette figure, le sens de circulation du gaz est illustré par des flèches.
Le premier piège cryogénique 5 est formé d’un tube en U 6 plongé dans un récipient 7 (« Dewar ») qui comprend un milieu, par exemple une bouille d’éthanol et d’azote liquide à une première température de -70°C.
Le deuxième piège cryogénique 8 est formé d’un tube en U 9 plongé dans un récipient 10 (« Dewar ») qui comprend un milieu, par exemple de l’azote liquide à une deuxième température de -196°C. En outre, le tube en U 9 comprend une phase adsorbante 11 par exemple sous forme de gel de silicate ou de zéolite.
La ligne de piégeage 3 comprend en outre une jauge de pression 12 entre le deuxième piège cryogénique 8 et le raccord 13.
Le raccord 13 est relié à un récipient 14 (par exemple un tube ou un récipient « ultra-torr »), dont une partie peut être refroidi dans un récipient 15, qui peut contenir par exemple de l’azote liquide à une température de -196°C. Entre la partie refroidie dans le récipient 14 et la partie reliée au raccord 13, il peut être prévue une vanne Vs permettant de contrôler le gaz dans la partie refroidie. La partie refroidie peut comporter une partie coudée.
Des moyens de mise sous vide 16 sont également reliés à la ligne de piégeage 3, du côté du raccord 13.
De plus, des moyens d’injection d’hélium 4 qui sont agencés pour injecter l’hélium dans les moyens de broyage 2. L’hélium injecté traverse les moyens de broyage 2 et la ligne de piégeage 3.
En outre, plusieurs vannes sont prévues sur les conduites du système de manière à mettre en œuvre les différentes étapes du procédé :
  • Une vanne V1 entre les moyens d’injection 4 et les moyens de broyage 2,
  • Une vanne V2 entre les moyens de broyage 2 et le premier piège cryogénique 5,
  • Une vanne V3 entre le premier piège cryogénique 5 et le deuxième piège cryogénique 8,
  • Une vanne V4 entre le deuxième piège cryogénique et le raccord 13, la jauge de pression étant agencée avant la vanne V4,
  • Une vanne V5 avant le raccord 13, et
  • Une vanne V6 entre le raccord 13 et les moyens de mise sous vide 16.
Alternativement, les vannes V4, V5 et V6 peuvent être remplacées par une ou plusieurs vannes multivoies, pour limiter le nombre de vannes du système.
Pour le mode de réalisation illustré, les ouvertures/fermetures des vannes peuvent par exemple correspondre à la séquence suivante :
  • Lors de l’étape d’injection de gaz inerte, toutes les vannes V1 à V5 sont ouvertes.
  • Lors de l’étape de mise sous vide, la vanne V1 est fermée et les vannes V2 à V6 sont ouvertes.
  • Lors de l’étape de broyage, les vannes V1 et V2 sont fermées.
  • Lors de l’étape de piégeage dans le premier piège cryogénique, la vanne V1 est fermée, la vanne V2 est ouverte, et la vanne V3 est fermée.
  • Lors de l’étape de piégeage dans le deuxième piège cryogénique, la vanne V2 est fermée, la vanne V3 ouverte, et la vanne V4 fermée.
  • Lors de l’étape d’extraction des gaz piégés dans la ligne de piégeage, les vannes V4 et V5 sont ouvertes, la vanne V6 est fermée, et éventuellement la vanne V3 peut être ouverte.

Claims (22)

  1. Système de récupération des gaz piégés dans au moins une roche, ledit système (1) comprenant des moyens de broyage (2) de ladite au moins une roche et une ligne de piégeage (3) des gaz libérés par le broyage de ladite au moins une roche, caractérisé en ce que ladite ligne de piégeage (3) comprend successivement un premier piège cryogénique (5) à une première température, un deuxième piège cryogénique (8) à une deuxième température inférieure à ladite première température, et un raccord (13) pour au moins un récipient de récupération desdits gaz piégés dans lesdits premier et deuxième pièges cryogéniques.
  2. Système de récupération des gaz piégés dans au moins une roche selon la revendication 1, dans lequel ledit système (1) comprend des moyens de mise sous vide (16) de ladite ligne de piégeage (3).
  3. Système de récupération des gaz piégés dans au moins une roche selon l’une des revendications précédentes, dans lequel lesdits premier et deuxième pièges cryogéniques (5, 8) comportent un tube en U (6, 9) refroidis respectivement à ladite première température et à ladite deuxième température.
  4. Système de récupération des gaz piégés dans au moins une roche selon la revendication 3, dans lequel ledit tube en U dudit deuxième piège cryogénique (8) comprend une phase adsorbante (11) d’au moins un gaz, de préférence un gel de silice et/ou une zéolite.
  5. Système de récupération des gaz piégés dans au moins une roche selon l’une des revendications précédentes, dans lequel ladite première température est comprise entre -100 °C et -50°C, de préférence entre -80° et -60°C.
  6. Système de récupération des gaz piégés dans au moins une roche selon l’une des revendications précédentes, dans lequel ladite deuxième température est comprise entre -100°C et -269°C, de préférence entre -100°C et -196°C.
  7. Système de récupération des gaz piégés dans au moins une roche selon l’une des revendications précédentes, dans lequel ledit système comprend des moyens d’injection d’un gaz inerte (4), notamment de l’hélium, dans lesdits moyens de broyage (2) et/ou dans ladite ligne de piégeage (3).
  8. Système de récupération des gaz piégés dans au moins une roche selon l’une des revendications précédentes, dans lequel ladite ligne de piégeage (3) comprend au moins une jauge de pression (12).
  9. Système de récupération des gaz piégés dans au moins une roche selon l’une des revendications précédentes, dans lequel ledit raccord (13) pour ledit récipient de récupération est un raccord verre-métal.
  10. Système de récupération des gaz piégés dans au moins une roche selon l’une des revendications précédentes, dans lequel ledit récipient de récupération est adapté à une chromatographie gazeuse GC, et/ou un couplage chromatographie gazeuse – combustion/pyrolyse – spectrométrie isotope de masse (GC-C-IRMS).
  11. Système de récupération des gaz piégés dans au moins une roche selon l’une des revendication précédentes, dans lequel ledit système comprend des moyens de chauffage desdits premier et deuxième pièges cryogéniques (5, 8) pour libérer lesdits gaz piégés.
  12. Système de récupération des gaz piégés dans au moins une roche selon l’une des revendications précédentes, dans lequel ledit système comprend des moyens de mesure de la masse de roche broyée.
  13. Système de récupération des gaz piégés dans au moins une roche selon l’une des revendications précédentes, dans lequel ladite ligne de piégeage comprend des vannes (V2, V3, V4, V5) agencées entre chaque composant.
  14. Système de récupération des gaz piégés dans au moins une roche selon l’une des revendications précédentes, dans lequel lesdits moyens de broyage (2) sont formés par un broyeur planétaire ou par un broyeur par agitation magnétique.
  15. Procédé de récupération des gaz piégés dans au moins une roche au moyen d’un système selon l’une des revendications précédentes, dans lequel on met en œuvre les étapes suivantes :
    1. On broie ladite au moins une roche dans lesdits moyens de broyage (2) ;
    2. On récupère lesdits gaz issus de ladite au moins une roche broyée dans ladite ligne de piégeage au moyen des étapes suivantes :
      1. On piège une partie des gaz dans ledit premier piège cryogénique (5) à ladite première température ;
      2. On piège une partie des gaz dans ledit deuxième piège cryogénique (8) à ladite deuxième température inférieure à ladite première température ; et
      3. On extrait lesdits gaz piégés dans lesdits premier et deuxième pièges cryogéniques dans au moins un récipient de récupération connecté à ladite ligne de piégeage par ledit raccord (13).
  16. Procédé de récupération des gaz piégés dans au moins une roche selon la revendication 15, dans lequel ledit procédé comprend une étape préalable de mise sous vide de ladite ligne de piégeage.
  17. Procédé de récupération des gaz piégés dans au moins une roche selon l’une des revendications 15 ou 16, dans lequel ledit procédé comprend une étape préalable de nettoyage desdits moyens de broyage et de ladite ligne de piégeage par injection d’un gaz inerte, notamment de l’hélium.
  18. Procédé de récupération des gaz piégés dans au moins une roche selon l’une des revendications 15 à 17, dans lequel on extrait lesdits gaz piégés dans lesdits premier et deuxième pièges cryogéniques par chauffage desdits premier et deuxième pièges cryogéniques (5, 8).
  19. Procédé de récupération des gaz piégés dans au moins une roche selon l’une des revendications 15 à 18, dans lequel on mesure la pression dans la ligne de piégeage (3) au moyen d’une jauge capteur de pression (12), et on quantifie les gaz piégés après avoir libéré les gaz piégés dudit deuxième piège cryogénique dans un volume calibré au moyen de ladite pression mesurée.
  20. Procédé d’analyse de gaz piégés dans au moins une roche, dans lequel on met en œuvre les étapes suivantes :
    1. On récupère lesdits gaz piégés dans ladite au moins une roche au moyen du procédé de récupération des gaz piégés dans au moins une roche selon l’une des revendications 15 à 19 ; et
    2. On analyse lesdits gaz récupérés dans ledit au moins un récipient de récupération, notamment par une chromatographie gazeuse GC, et/ou un couplage chromatographie gazeuse – combustion/pyrolyse – spectrométrie isotope de masse (GC-C-IRMS).
  21. Procédé d’analyse de gaz piégés dans au moins une roche selon la revendication 20, dans lequel on répète l’étape de piégeage desdits gaz pour une pluralité d’échantillons broyées de la même roche avant l’étape d’analyse.
  22. Procédé d’analyse de gaz piégés dans au moins une roche selon l’une des revendications 20 ou 21, dans lequel on analyse la présence et/ou la quantité de sulfure d’hydrogène H2S dans ladite roche.
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