FR3139355A1 - Système et procédé d’extraction de chaleur pour environnements extrêmes - Google Patents
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Abstract
Système et procédé d’extraction de chaleur pour environnements extrêmes La présente invention concerne un outil (100) destiné à extraire de la chaleur d’un réservoir, comportant un sabot (130) constitué d’un matériau qui supporte des températures supérieures à 500 °C, un tuyau externe (120) attaché au sabot (130), un tuyau interne (110) situé à l’intérieur du tuyau externe (120) et formant un anneau (112) avec le tuyau externe (120), le tuyau interne (110) ayant un alésage (114), et un raccord souple (140) configuré pour raccorder le tuyau externe (120) au sabot (130) de telle sorte que le tuyau externe (120) peut se dilater et se contracter sans fuite d’un fluide (154) à l’intérieur de l’anneau (112). Le tuyau interne (110) et le tuyau externe (120) sont configurés pour former une boucle ininterrompue (156) pour le fluide (154) entre un sommet de l’anneau (112) et un sommet de l’alésage (114) tout en permettant également au fluide (154) d’entrer en contact direct avec le sabot (130). Figure pour l’abrégé : Fig.1
Description
Des modes de réalisation de l’objet décrit dans les présentes concernent de façon générale un système et un procédé destinés à extraire de la chaleur d’un environnement à haute température, et plus particulièrement un outil coaxial souterrain se terminant par un sabot fermé, seul le sabot étant configuré pour pénétrer dans l’environnement à haute température, et l’outil étant configuré pour faire circuler un fluide au-delà du sabot, pour collecter la chaleur reçue par le sabot depuis l’environnement, et pour transférer la chaleur à la surface.
L’exploitation des réservoirs souterrains à très haute température (SHR) constitue une solution prometteuse pour produire une grande quantité d’énergie. Ces réservoirs souterrains à très haute température peuvent être naturels ou artificiels, qu’ils soient voulus (comme la gazéification souterraine du charbon) ou d’origine accidentelle (comme la combustion de tourbe ou de charbon). Quelle que soit l’origine des SHR, il est souhaitable d’extraire l’énergie qu’ils génèrent avec un minimum de pollution.
Les SHR naturels sont créés par du magma proximal, où par exemple des températures dépassant les 900 °C sont atteintes. À ce propos, un puits en Islande a été accidentellement foré dans du magma. Ce puits aurait pu produire une plus grande quantité d’énergie pour un coût quasi-nul, par ex. 36 MWe, en plus de la capacité électrique installée de 60 MWe, à partir des 33 puits forés pour la centrale géothermique locale [1].
Un SHR peut aussi être créé intentionnellement (par ex., construit par l’homme), comme dans le cadre du stockage souterrain d’énergie thermique à ultrahaute température (UHT-UTES). Par exemple, les systèmes d’énergie solaire concentrée (CSP) peuvent atteindre des températures élevées dépassant 500 °C, pour atteindre jusqu’à 2000 °C en journée, en utilisant un miroir cylindro-parabolique ou d’autres dispositifs, mais pas nécessairement quand la demande énergétique est élevée. L’UTES constitue alors une solution pour le stockage d’un fluide à haute température et l’extraction de l’énergie associée au fluide quand les systèmes CSP ne peuvent pas produire suffisamment d’énergie. Des solutions de stockage dans le sol naturel ont été étudiées, et diverses études envisagent des températures allant jusqu’à 650 °C pour le stockage du fluide chauffé. D’autres sources d’énergie à ultrahaute température peuvent également être considérées, comme les centrales nucléaires.
Un SHR peut être créé par des processus ayant un autre objectif, comme la gazéification souterraine du charbon (UCG), qui vise à produire du gaz de synthèse à partir d’un processus de combustion de charbon souterrain avec des températures comprises entre 600 °C et 1000 °C [2-4].
Cependant, la récupération de chaleur à partir d’un SHR représente un défi en raison des conditions extrêmes (température, corrosion et pression) dans lesquelles les matériaux et les systèmes sont utilisés. À ce propos, le puits indiqué précédemment, accidentellement foré dans du magma à 900 °C, a été construit avec de l’acier au carbone des qualités K55 et T95, qui sont traditionnellement employées pour les puits géothermiques. Dans ce cas, le tubage s’est rapidement effondré, interrompant l’exploitation de la grande quantité d’énergie disponible à cet endroit. Une fois le puits arrêté et ensuite fermé, il a été diagraphié avec une caméra vidéo. Plusieurs ruptures par corrosion ainsi que par traction ont été observées, confirmées par la suite par l’analyse des 8 m récupérés dans la partie la plus haute du puits.
Sur la base de ces expériences, on constate que les puits et les outils conventionnels, même s’ils sont fabriqués avec les qualités d’acier les plus résistantes, ne sont pas adaptés à une extraction à long terme de la chaleur dans les SHR. Parmi les inconvénients de ces puits et outils, on citera les suivants :
la forme cylindrique du tubage de puits est susceptible de provoquer un gonflement et un effondrement sous des contraintes thermomécaniques (le cyclage thermique est un facteur d’aggravation),
quand la saumure géothermique est utilisée comme fluide de travail, le risque de corrosion de l’acier dû à la composition chimique de la saumure est aggravé par les très hautes températures, et
l’endommagement potentiel de la masse rocheuse environnante (fracturation, création de cavités et effritement dans le cas de l’UCG) augmente avec la température en raison de la contrainte thermique supplémentaire.
la forme cylindrique du tubage de puits est susceptible de provoquer un gonflement et un effondrement sous des contraintes thermomécaniques (le cyclage thermique est un facteur d’aggravation),
quand la saumure géothermique est utilisée comme fluide de travail, le risque de corrosion de l’acier dû à la composition chimique de la saumure est aggravé par les très hautes températures, et
l’endommagement potentiel de la masse rocheuse environnante (fracturation, création de cavités et effritement dans le cas de l’UCG) augmente avec la température en raison de la contrainte thermique supplémentaire.
De plus, le ciment annulaire utilisé autour du puits joue un rôle important dans l’intégrité structurale et la durabilité de ce dernier. Le ciment doit fournir un support mécanique pour le tubage en acier, protéger le tubage des fluides de formation corrosifs, et la multicouche constituée de plusieurs tubages et couches de ciment entre les tubages doit garantir la prévention de fuite de saumure depuis l’anneau dans les différentes couches traversées par le puits. Les contraintes thermiques et l’endommagement associé du ciment compromettent ce rôle.
Ainsi, il existe un besoin pour un nouveau système/outil qui permet d’extraire la chaleur des SHR tout en étant capable de supporter les conditions sévères existant dans les SHR.
Un mode de réalisation concerne un procédé destiné à extraire de la chaleur d’un emplacement souterrain avec un outil coaxial qui comporte un sabot constitué d’un matériau résistant à la chaleur. Le procédé comporte une étape de mise en place du sabot de l’outil coaxial à l’intérieur de l’emplacement souterrain tout en s’assurant que les autres parties de l’outil ne sont pas en contact direct avec l’emplacement souterrain. Le procédé comporte en outre une étape de pompage d’un fluide à l’intérieur de l’outil, soit à travers un alésage d’un tuyau interne jusqu’au sabot et de nouveau jusqu’à la surface à travers un anneau formé par le tuyau interne et un tuyau externe, soit à travers l’anneau jusqu’au sabot et de nouveau jusqu’à la surface à travers l’alésage. Le fluide échange de la chaleur avec le sabot, qui est placé dans l’emplacement souterrain chaud.
Un autre mode de réalisation concerne un outil destiné à extraire de la chaleur d’un réservoir, et l’outil comporte un sabot constitué d’un matériau qui supporte des températures supérieures à 500 °C, un tuyau externe attaché au sabot, un tuyau interne situé à l’intérieur du tuyau externe et formant un anneau avec le tuyau externe, le tuyau interne ayant un alésage, et un raccord souple configuré pour raccorder le tuyau externe au sabot de telle sorte que le tuyau externe peut se dilater et se contracter sans fuite de fluide à l’intérieur de l’anneau. Le tuyau interne et le tuyau externe sont configurés pour former une boucle ininterrompue pour le fluide entre un sommet de l’anneau et un sommet de l’alésage tout en permettant également au fluide d’entrer en contact direct avec le sabot.
Encore un autre mode de réalisation concerne un système d’extraction de chaleur destiné à extraire de la chaleur d’un réservoir, et le système d’extraction de chaleur comporte un élément de tubage configuré pour être abaissé dans un puits ou entraîné dans le sol, et un outil configuré pour être attaché à une extrémité distale de l’élément de tubage. L’outil comporte un sabot constitué d’un matériau qui supporte des températures supérieures à 500 °C, un tuyau externe attaché au sabot, un tuyau interne situé concentriquement à l’intérieur du tuyau externe et formant un anneau avec le tuyau externe, le tuyau interne ayant un alésage, et un raccord souple configuré pour raccorder le tuyau externe au sabot de telle sorte que le tuyau externe peut se dilater et se contracter sans fuite de fluide à l’intérieur de l’anneau. Le tuyau interne et le tuyau externe sont configurés pour former une boucle ininterrompue pour le fluide entre un sommet de l’anneau et un sommet de l’alésage tout en permettant également au fluide d’entrer en contact direct avec le sabot.
Selon certains modes de réalisation, l’outil comprend un élément faisant crépine situé entre le tuyau interne et le sabot le long d’un axe longitudinal, un raccord souple supplémentaire entre le tuyau interne et l’élément faisant crépine, dans lequel la boucle s’étend depuis l’anneau jusqu’à l’alésage par une pluralité de trous formés dans l’élément faisant crépine.
Selon certains modes de réalisation, le tuyau interne est directement attaché au sabot avec un raccord souple supplémentaire.
Selon certains modes de réalisation, le tube interne comporte une pluralité de trous de telle sorte que la boucle s’étend depuis l’anneau jusqu’à l’alésage par la pluralité de trous.
Selon certains modes de réalisation, l’outil comprend en outre :
un ergot qui attache solidement le tuyau interne par rapport au tuyau externe de telle sorte qu’une extrémité inférieure du tuyau interne flotte au-dessus du sabot pour permettre à la boucle de quitter l’anneau et de pénétrer dans l’alésage.
un ergot qui attache solidement le tuyau interne par rapport au tuyau externe de telle sorte qu’une extrémité inférieure du tuyau interne flotte au-dessus du sabot pour permettre à la boucle de quitter l’anneau et de pénétrer dans l’alésage.
Selon certains modes de réalisation, le tuyau interne est directement raccordé au sabot avec un raccord souple supplémentaire, et le sabot a un ou plusieurs canaux qui permettent à la boucle de s’étendre depuis l’anneau jusqu’à l’alésage par le ou les canaux.
Selon certains modes de réalisation, le ou les canaux sont formés exclusivement à l’intérieur d’un corps du sabot.
Selon certains modes de réalisation, le sabot comporte uniquement un corps plein sans aucun autre composant.
Selon certains modes de réalisation, les tuyaux interne et externe sont concentriques.
Selon certains modes de réalisation, le sabot est façonné comme un cône et le sabot a une hélice attachée à une surface externe du cône, ou bien le sabot est façonné comme un cylindre ayant un bout distal.
L’invention concerne aussi un système d’extraction de chaleur destiné à extraire de la chaleur d’un réservoir, le système d’extraction de chaleur comprenant :
un élément de tubage configuré pour être abaissé à l’intérieur d’un puits ou entraîné à l’intérieur du sol ; et
un outil configuré pour être attaché à une extrémité distale de l’élément de tubage,
dans lequel l’outil comporte
un sabot constitué d’un matériau qui supporte des températures supérieures à 500 °C ;
un tuyau externe attaché au sabot ;
un tuyau interne situé concentriquement à l’intérieur du tuyau externe et formant un anneau avec le tuyau externe, le tuyau interne ayant un alésage ; et
un raccord souple configuré pour raccorder le tuyau externe au sabot de telle sorte que le tuyau externe peut se dilater et se contracter sans fuite d’un fluide à l’intérieur de l’anneau,
dans lequel le tuyau interne et le tuyau externe sont configurés pour former une boucle ininterrompue pour le fluide entre un sommet de l’anneau et un sommet de l’alésage tout en permettant également au fluide d’entrer en contact direct avec le sabot.
un élément de tubage configuré pour être abaissé à l’intérieur d’un puits ou entraîné à l’intérieur du sol ; et
un outil configuré pour être attaché à une extrémité distale de l’élément de tubage,
dans lequel l’outil comporte
un sabot constitué d’un matériau qui supporte des températures supérieures à 500 °C ;
un tuyau externe attaché au sabot ;
un tuyau interne situé concentriquement à l’intérieur du tuyau externe et formant un anneau avec le tuyau externe, le tuyau interne ayant un alésage ; et
un raccord souple configuré pour raccorder le tuyau externe au sabot de telle sorte que le tuyau externe peut se dilater et se contracter sans fuite d’un fluide à l’intérieur de l’anneau,
dans lequel le tuyau interne et le tuyau externe sont configurés pour former une boucle ininterrompue pour le fluide entre un sommet de l’anneau et un sommet de l’alésage tout en permettant également au fluide d’entrer en contact direct avec le sabot.
Selon certains modes de réalisation, le système d’extraction de chaleur comprend en outre :
un centreur configuré pour centrer l’élément de tubage à l’intérieur du puits ; et
une garniture d’étanchéité configurée pour empêcher un fluide provenant du puits d’avancer vers une partie supérieure de l’outil.
un centreur configuré pour centrer l’élément de tubage à l’intérieur du puits ; et
une garniture d’étanchéité configurée pour empêcher un fluide provenant du puits d’avancer vers une partie supérieure de l’outil.
Selon certains modes de réalisation, l’outil comprend en outre :
un élément faisant crépine situé entre le tuyau interne et le sabot le long d’un axe longitudinal ; et
un raccord souple supplémentaire entre le tuyau interne et l’élément faisant crépine,
dans lequel la boucle s’étend depuis l’anneau jusqu’à l’alésage par une pluralité de trous formés dans l’élément faisant crépine.
un élément faisant crépine situé entre le tuyau interne et le sabot le long d’un axe longitudinal ; et
un raccord souple supplémentaire entre le tuyau interne et l’élément faisant crépine,
dans lequel la boucle s’étend depuis l’anneau jusqu’à l’alésage par une pluralité de trous formés dans l’élément faisant crépine.
Selon certains modes de réalisation, l’élément faisant crépine fait partie intégrante du sabot.
Selon certains modes de réalisation, le tuyau interne est directement attaché au sabot avec un raccord souple supplémentaire, et dans lequel le tube interne comporte une pluralité de trous de telle sorte que la boucle s’étend depuis l’anneau jusqu’à l’alésage par la pluralité de trous.
Selon certains modes de réalisation, l’outil comprend en outre :
un ergot qui attache solidement le tuyau interne par rapport au tuyau externe de telle sorte qu’une extrémité inférieure du tuyau interne flotte au-dessus du sabot pour permettre à la boucle de quitter l’anneau et de pénétrer dans l’alésage.
un ergot qui attache solidement le tuyau interne par rapport au tuyau externe de telle sorte qu’une extrémité inférieure du tuyau interne flotte au-dessus du sabot pour permettre à la boucle de quitter l’anneau et de pénétrer dans l’alésage.
Selon certains modes de réalisation, le tuyau interne est directement raccordé au sabot avec un raccord souple supplémentaire, et le sabot a un ou plusieurs canaux qui permettent à la boucle de s’étendre depuis l’anneau jusqu’à l’alésage par le ou les canaux.
Selon certains modes de réalisation, le ou les canaux sont formés exclusivement à l’intérieur d’un corps du sabot.
Selon certains modes de réalisation, le sabot est façonné comme un cône ou comme un cylindre ayant un bout distal.
Pour une compréhension plus complète de la présente invention, il va maintenant être fait référence à la description suivante considérée conjointement avec les dessins annexés, dans lesquels :
La description suivante des modes de réalisation renvoie aux dessins annexés. Les mêmes numéros de référence dans des dessins différents identifient des éléments identiques ou similaires. La description détaillée suivante ne limite pas l’invention. La portée de l’invention est plutôt définie par les revendications annexées. Les modes de réalisation suivants sont présentés, pour des raisons de simplicité, sous l’angle d’un outil coaxial doté d’un sabot hélicoïdal d’extrémité destiné à pénétrer dans un SHR. Cependant, les modes de réalisation qui seront décrits par la suite ne sont pas limités au sabot hélicoïdal, et l’outil coaxial peut être doté de sabots d’extrémité de différentes formes. En outre, les modes de réalisation décrits par la suite ne sont pas limités à un outil coaxial, car l’outil peut utiliser des tuyaux non coaxiaux.
Dans toute la description, quand il est fait référence à « un mode de réalisation », cela signifie qu’un attribut, une structure ou une caractéristique particuliers présentés dans le cadre d’un mode de réalisation est inclus dans au moins un mode de réalisation de l’objet décrit. Ainsi, l’apparition de la phrase « dans un mode de réalisation » à divers endroits dans l’ensemble de la description ne fait pas nécessairement référence au même mode de réalisation. En outre, les attributs, structures ou caractéristiques particuliers peuvent être combinés de n’importe quelle manière appropriée dans un ou plusieurs modes de réalisation.
Selon un mode de réalisation, un nouvel outil coaxial pour l’extraction de chaleur comporte un tuyau interne et un tuyau externe [5], qui sont positionnés concentriquement. Dans un mode de réalisation, les axes longitudinaux des deux tuyaux peuvent être décalés l’un de l’autre. Les tuyaux interne et externe peuvent tous deux être attachés, directement ou indirectement, à une partie correspondante d’un sabot d’extrémité. Le sabot est configuré pour pénétrer dans le réservoir avec les conditions extrêmes (par ex., température élevée, haute pression, forte corrosion), tandis que les tuyaux interne et externe sont protégés de ces conditions, autrement dit ils sont configurés pour rester à l’extérieur du réservoir. Les tuyaux interne et externe sont configurés pour faire circuler un fluide depuis la surface jusqu’au sabot d’extrémité et de nouveau jusqu’à la surface par différents chemins, par exemple d’abord vers le bas jusqu’au sabot d’extrémité à travers un anneau formé entre les deux tuyaux puis vers le haut jusqu’à la surface à travers un alésage du tuyau interne. On notera que le fluide peut en variante circuler d’abord à travers l’alésage du tuyau interne puis vers le haut jusqu’à la surface à travers l’anneau des deux tuyaux. La circulation de fluide entre en contact direct avec une partie du sabot d’extrémité pour recevoir la chaleur du réservoir.
Plus spécifiquement, comme le montre la , le nouvel outil 100 (également appelé dans les présentes « outil de puits » ou « outil coaxial » ou « outil d’extraction de chaleur ») comporte un tuyau interne 110, un tuyau externe 120 concentrique du tuyau interne 110, et un sabot d'extrémité 130. Le tuyau externe 120 est raccordé au sabot 130 par un premier raccord souple 140, tandis que le tuyau interne 110 est raccordé au sabot 130 par un deuxième raccord souple 141. Un raccord souple 140 ou 141 est tout raccord entre deux éléments différents qui permet à un des éléments ou aux deux de se dilater pour des raisons thermiques tout en conservant l’intégrité de la circulation de fluide à travers le raccord, c.-à-d. ne laissant pas fuir le fluide. Un exemple d’un tel raccord souple a été introduit dans [6] et [7], et est illustré dans les et 2B (qui correspondent aux figures 3A et 3B de [6]). Le raccord souple 140/141 permet aux deux éléments raccordés (par exemple, 110 et 130, ou 120 et 130) de réaliser un raccordement fluidique qui peut se dilater quand la température augmente, sans gauchissement ni fuite de fluide à l’intérieur. Plus spécifiquement, les et 2B montrent le raccord souple 140/141 ayant un corps principal tubulaire creux 201 ayant une première ouverture de manchon tubulaire 202 attachée au tubage externe 120 et une deuxième ouverture de manchon tubulaire 203 attachée à un bord ou un écoulement du sabot d’extrémité 130. Les figures expliquent la façon dont le raccord peut absorber la dilatation thermique due à un changement de température quand des milieux à haute température commencent à circuler à travers l’outil 100 et la contraction quand le puits doit être refroidi.
Plus spécifiquement, un espacement circonférentiel s’étendant axialement et tourné vers l’intérieur 221 est créé par un bord supérieur s’étendant vers l’intérieur 211 à proximité de la première ouverture de manchon tubulaire 202 et un bord central s’étendant vers l’intérieur 213. Un élément tubulaire interne 207 est prévu, lequel s’étend radialement à l’intérieur de l’espacement 221. L’élément tubulaire interne a une première zone d’enclenchement circonférentielle destinée à s’enclencher avec une zone d’enclenchement complémentaire d’une extrémité du tuyau externe 120 et une deuxième zone d’enclenchement circonférentielle à proximité de la deuxième ouverture de manchon tubulaire 203 destinée à s’enclencher avec une zone d’enclenchement complémentaire de l’extrémité du sabot 130. Les figures montrent que l’élément tubulaire interne 207 est plus court dans la direction axiale que l’espacement circonférentiel tourné vers l’intérieur 221 et par conséquent est réversible et peut glisser à l’intérieur de l’espacement circonférentiel tourné vers l’intérieur 221 entre le bord supérieur s’étendant vers l’intérieur 211 et le bord central s’étendant vers l’intérieur 213. L’élément tubulaire interne 207 peut glisser librement dans une direction axiale à l’intérieur de l’espacement 221.
Les figures montrent également que le tuyau externe 120 a une zone de fixation circonférentielle 208 destinée à se fixer au raccord 140. Dans un mode de réalisation, la zone de fixation 208 comporte des filets. L’ouverture de manchon tubulaire inférieure 203 comporte un élément de support externe 209 qui a une zone de fixation circonférentielle 210 (par exemple, des filets) destinée à fixer le sabot 130 au raccord 140. L’élément de support externe 206 de l’ouverture de manchon tubulaire supérieure 202 a un bord supérieur s’étendant vers l’intérieur 211 qui s’étend vers l’intérieur sur l’équivalent de l’épaisseur de l’ouverture supérieure de l’élément tubulaire interne 207. De plus, l’élément de support interne 207 de l’ouverture de manchon tubulaire supérieure 202 a un bord inférieur s’étendant vers l’intérieur 212 qui s’étend vers l’intérieur sur l’équivalent de l’épaisseur de l’ouverture inférieure du tuyau externe 120. D’autres types de raccords souples 140 peuvent être employés. Bien que les et 2B décrivent un raccordement souple possible entre le tuyau externe 120 et le sabot 130, le même raccordement souple peut être réalisé entre le tuyau interne 110 et le sabot 130.
On notera que pour réaliser le raccordement avec le tuyau externe 120, dans un mode de réalisation, le sabot 130 a des filets 210 sur une surface externe 132, à côté de la surface supérieure 136, comme le montrent les et 3B. Pour réaliser le raccordement avec le tuyau interne 110, dans le mode de réalisation de la , le sabot 130 comporte également un élément faisant crépine 150, qui est fabriqué d’une seule pièce avec le corps 131 du sabot. L’élément faisant crépine 150 est façonné comme un manchon avec un alésage interne, et les parois latérales du manchon ont une pluralité de trous 152. On notera qu’un diamètre de l’élément faisant crépine est inférieur à un diamètre extérieur du corps 131 au niveau de la surface supérieure 136 pour tenir compte de l’anneau 112. Pour réaliser le raccordement avec le tuyau interne dans le mode de réalisation de la , le sabot 130 présente un épaulement 134, qui fait saillie depuis la surface supérieure 136 du sabot, et les filets 210 sont formés sur la surface latérale 134A de l’épaulement 134 pour s’enclencher directement avec le tuyau interne. L’homme du métier comprendra que cette mise en œuvre est l’une des multiples mises en œuvre possibles pour le raccord souple 140.
Retournons à la , où le tuyau interne 110 peut être raccordé avec encore un autre raccord souple 141 à l’élément faisant crépine 150, lorsqu’il est présent. Comme exposé plus loin, il existe des modes de réalisation où l’élément faisant crépine 150 est omis. L’élément faisant crépine 150 peut être un tuyau ayant le même diamètre intérieur et/ou extérieur que le tuyau interne 110, ainsi qu’une pluralité de trous 152 pour permettre à un fluide 154 de quitter un anneau 112 formé par la surface externe du tuyau interne 110 et la surface interne du tuyau externe 120, et pénétrer dans l’alésage 114 du tuyau interne 110. De cette façon, le fluide 154 peut être pompé depuis la surface à l’intérieur de l’anneau 112, mis en contact direct avec le sabot 130, puis retourné à la surface par l’alésage 114, tout en transportant la chaleur transférée depuis le sabot. Ainsi, une boucle ou un chemin 156 est formé depuis le sommet de l’anneau 112 jusqu’au sabot 130 et ensuite jusqu’au sommet de l’alésage 114. Dans une application, le sens du chemin 156 peut être inversé, comme l’illustre schématiquement la figure, autrement dit le fluide pénètre d’abord dans l’alésage 114, traverse les trous 152, et pénètre ensuite dans l’anneau 112 avant de retourner à la surface. On notera qu’un sommet 158 de l’outil 100 correspond à la partie de l’outil qui est configurée pour être attachée à un élément de tubage avant d’être abaissée à l’intérieur du puits ou entraînée à l’intérieur du sol. Cela signifie que la partie supérieure 158 de l’outil 100 peut avoir des filets 159 pour être attachée à l’élément de tubage. Ainsi, le tuyau interne 110 et le tuyau externe 120 sont configurés pour former une boucle ininterrompue 156 pour le fluide 154 entre un sommet de l’anneau 112 et un sommet de l’alésage 114 tout en permettant également au fluide 154 d’entrer en contact direct avec le sabot 130.
Dans le mode de réalisation montré sur la , le sabot est fabriqué pour être plein, autrement dit son corps 131 n’a ni trous, ni canaux, à l’exception de l’élément faisant crépine 150, qui a les trous 152. Il peut être constitué d’une seule pièce de matière, autrement dit le corps 131 et l’élément faisant crépine 150 sont formés d’une seule pièce. Le sabot (qui doit être compris comme étant le corps et l’élément faisant crépine, lorsqu’il est présent) est également constitué d’un métal ou d’un alliage qui peut supporter les températures élevées (par ex., entre 500 et 1200 °C) et/ou les hautes pressions, par exemple jusqu’à 20 MPa. Dans une application, le sabot est constitué de tungstène ou de titane. Dans une autre application, pour laquelle il est important que le prix du sabot soit aussi bas que possible, un alliage avec de grandes qualités peut être utilisé. Par exemple, les aciers inoxydables sont les premiers auxquels on pense, car ils offrent un bon équilibre entre le prix et la résistance aux environnements extrêmes, en particulier les alliages généralement employés pour les réacteurs thermiques et pour les chambres de combustion, qui ont une plus grande résistance à la traction à haute température. Certains exemples de ces alliages sont illustrés dans le tableau de la . Les alliages comportant du chrome, de l’aluminium et du titane offrent une bonne résistance aux conditions extrêmes (déformation et mécanisme de corrosion à haute température). On notera que lorsque la qualité de l’alliage augmente, son coût augmente.
Dans un autre mode de réalisation, tel qu’illustré sur la , l’élément faisant crépine 150 peut être omis (autrement dit, la configuration du sabot 130 représentée sur la est utilisée) et les trous 152 peuvent être directement ménagés dans la partie inférieure du tuyau interne 110. Dans ce cas, les raccords souples 141 entre le tuyau interne et l’élément faisant crépine ne sont pas non plus présents, car le tuyau interne se couple directement à l’épaulement 134 du sabot 130, avec les raccords souples 141 montrés sur la figure.
Dans encore un autre mode de réalisation, tel qu’illustré sur la , le tuyau interne 110 est solidement attaché au tuyau externe 120 par un ou plusieurs ergots 610. Dans ce cas, l’extrémité inférieure 110A du tuyau interne 110 est située au-dessus du sabot 130, de sorte qu’un chemin libre 156 se libère pour le fluide 154 depuis l’anneau 112 jusqu’à l’alésage 114. En d’autres termes, il n’y a pas d’élément faisant crépine 150 ni de trous 152 associés au sabot 130 ou au tuyau interne 110 dans ce mode de réalisation. Les ergots 610 peuvent aussi être utilisés dans les modes de réalisation précédents, c.-à-d. pour fixer le tuyau interne par rapport au tuyau externe. Cependant, dans les modes de réalisation précédents, il est également possible que le tuyau interne soit indépendant du tuyau externe, autrement dit qu’ils ne se touchent pas par l’intermédiaire d’un quelconque composant, excepté l’élément faisant crépine et/ou le sabot.
Dans encore un autre mode de réalisation, tel qu’illustré sur la , le tuyau interne 110 se raccorde directement au sabot 130, par exemple par l’intermédiaire des raccords souples 141, et aucun trou 152 n’est présent dans le tuyau interne, ni aucun élément faisant crépine. Pour ce mode de réalisation, la configuration du sabot 130 présentée sur la est utilisée. Ainsi, pour ce mode de réalisation, il n’y a pas de circulation directe de fluide depuis l’anneau 112 jusqu’à l’alésage 114. Dans ce cas, une pluralité de canaux 710 sont formés à travers le corps du sabot 130, lesquels raccordent fluidiquement l’anneau 112 à l’alésage 114, de sorte que le flux de fluide 154 passe toujours de l’anneau à l’alésage, mais par l’intermédiaire du corps du sabot. Dans cette situation, le fluide devrait retirer plus de chaleur du corps du sabot, car le fluide pénètre effectivement à l’intérieur du sabot. Bien que tous les modes de réalisation précédents montrent un raccordement souple 140/141 entre les tuyaux interne et externe et le sabot d’extrémité, l’homme du métier comprendra qu’un raccordement non souple peut aussi être utilisé, même s’il y a des fuites de fluide. On notera que pour tous les modes de réalisation précédents, le sabot comporte uniquement un corps plein sans aucun autre composant, c.-à-d. aucun trou, canal, vanne, etc., à l’intérieur du corps 131, seul le mode de réalisation de la présentant une structure supplémentaire, à savoir les canaux 710.
En ce qui concerne la forme du sabot 130, les modes de réalisation précédents l’ont illustré sous la forme d’une balle, par exemple avec le plus grand diamètre extérieur correspondant au diamètre extérieur du tuyau externe, puis le corps ayant un sommet 138, comme le montre la . La longueur du corps (c.-à-d. depuis l’épaulement 134 jusqu’au sommet 138) peut être sélectionnée en fonction de la largeur du SHR à explorer. Dans une application, pour le mode de réalisation présenté sur la , la longueur de l’élément faisant crépine 150 est sélectionnée pour dépendre du diamètre du puits dans lequel l’outil 100 est placé.
Dans une application, comme le montre la (on notera que les à 8C omettent l’élément faisant crépine pour simplifier), le corps 131 du sabot 130 présente une hélice 133 s’étendant sur une longueur du sabot. L’hélice peut être ajoutée ou formée à l’intérieur du corps 131 pour favoriser l’avance du sabot à l’intérieur du sous-sol quand un puits n’est pas préalablement foré pour abaisser l’outil 100. On notera que l’outil 100 peut être abaissé à l’intérieur d’un puits préalablement foré ou peut être entraîné dans le sol, si le sous-sol est mou. La montre un autre mode de réalisation dans lequel la forme du sabot 130 est un cône plat. La montre encore un autre mode de réalisation dans lequel la forme du sabot 130 est cylindrique 810, avec des extrémités de forme pointue 812, par exemple un cône. L’homme du métier comprendra que d’autres formes peuvent être utilisées.
Quand on souhaite utiliser l’outil 100 (comme l’illustrent les à 9C), diverses données (par ex., étude sismique, ou informations acquises pendant le forage du puits, etc.) sont collectées à l’étape 1000 (voir le schéma fonctionnel de la ) avant l’abaissement (ou l’entraînement) de l’outil dans le sol. Sur la base de ces informations, un contour supérieur du SHR est déterminé. À l’étape 1002, un puits 902 est foré pour atteindre le sommet du SHR comme le montre la , puis, à l’étape 1004, l’outil 100 est abaissé (ou entraîné si aucun puits n’est préalablement foré) dans le puits 902 jusqu’à ce que le sabot 130 soit en contact direct avec le SHR. Dans ce mode de réalisation, seul le sabot est en contact direct avec le SHR, pas les tuyaux interne et externe, comme l’illustre la . Cela rend le système 900 plus résistant à un endommagement potentiel dû aux températures extrêmement élevées et aux processus de corrosion apparaissant dans les fluides à haute température. Le sabot 130 est conçu pour résister aux déformations thermomécaniques dues aux contraintes thermiques, et aux mouvements du sol pendant le processus d’extraction de chaleur. Comme exposé précédemment, le sabot peut être constitué d’alliages qui résistent à une température élevée (jusqu’à 1000 °C), des environnements corrosifs, une contrainte thermique, une explosion, et avec une conductivité thermique suffisante aux températures rencontrées. À très haute température, la stabilité thermique est le premier facteur pris en compte, car elle peut imposer des limites à un type particulier d’alliage du point de vue du ramollissement ou de la fragilisation, et des changements dans les propriétés thermiques telles que la conductivité thermique avec une variation de température. On notera que le sabot peut absorber de grosses déformations, car il ne s’agit pas d’un élément de support pour l’outil 100, mais seulement d’un élément de transfert de chaleur. En d’autres termes, l’outil 100 est supporté à l’intérieur du puits 902 par un tubage correspondant 910, qui peut comporter une pluralité d’éléments de tubage raccordés les uns aux autres, comme l’illustre la . Un élément de tubage peut avoir une longueur d’environ 12 m. L’outil 100 peut avoir une longueur similaire ou inférieure. La pluralité d’éléments de tubage peuvent être raccordés les uns aux autres par des filets, comme on le sait dans le métier. L’outil 100 peut être raccordé par des filets à l’extrémité inférieure du dernier élément de tubage.
La forte conductivité thermique des alliages à haute température permet le transfert de chaleur du sabot métallique 130 aux tuyaux coaxiaux 110/120. Des simulations numériques thermohydrauliques sont lancées pour optimiser la conception de l’outil et du puits correspondant (longueur et diamètre du sabot, diamètre du puits, nombre et position des systèmes de puits coaxiaux avec sabot).
La montre un tubage de surface 904 et un tubage sacrificiel 906 installés dans le puits 902 foré avec un train de tiges de forage 908. On notera que les deux tubages sont installés au-dessus du SHR. Le train de tiges de forage 908 peut avoir une pointe de forage 909 pour forer le puits 902. Une table tournante 912 installée à la surface du puits est utilisée pour entraîner la pointe de forage. Quand le puits est prêt, la pointe de forage 909 et le train de tiges de forage 908 sont retirés et l’outil 100 est abaissé dans le puits, comme le montre la . Pour aligner l’outil 100 avec l’axe longitudinal du puits 902, un centreur 914 peut être installé sur l’outil 100, comme le montre la figure. Dans un mode de réalisation, pour empêcher le fluide provenant du SHR de pénétrer dans le tubage 906, une garniture d’étanchéité 916 peut être installée, par exemple juste au-dessus du sabot 130, comme le montre la . Pour des raisons de sécurité, pour empêcher la libération violente du fluide depuis le puits 902 ou le tubage 910 à la surface, un obturateur de puits 918 peut être installé sur la tête du puits. Un obturateur de puits 918 est essentiellement une vanne puissante qui est configurée pour fermer (sceller) le puits si la pression à l’intérieur du puits devient supérieure à une pression donnée. Dans une application, l’anneau entre le tubage sacrificiel 906 et l’outil coaxial 100 est rempli par un gel visqueux adapté qui garantit l’isolation thermique de l’outil d’extraction de chaleur, tout en limitant les contraintes thermiques sur le tubage sacrificiel et son ciment.
Après que la chaleur issue du SHR a été extraite à l’étape 1006, ce qui peut prendre des mois si ce n’est des années, le tubage 910 et l’outil associé 100 sont retirés du puits à l’étape 1008, et le puits 902 est scellé avec des bouchons de ciment 920 à l’étape 1010, comme l’illustre la . De cette façon, il y a peu de risque qu’un fluide quel qu’il soit provenant du puits puisse s’échapper à la surface une fois le puits abandonné. Un abandon se produirait si, après un certain laps de temps fonction de l’origine du SHR, la chaleur au niveau du sabot n’était plus suffisante pour être extraite de façon économique, et l’outil coaxial avec le sabot pourrait être retiré si une telle conception avait été choisie. Une conception avec abandon prendrait en compte la durée effective prédite de la source de chaleur, qui pourrait être la combustion de charbon ou de tourbe, une gazéification souterraine de charbon, ou un mince dyke ou filon magmatique.
Une mise en œuvre intelligente et sûre de cette technologie peut être assortie de procédés de surveillance, par exemple se concentrant particulièrement sur la température, la pression, et le comportement mécanique de l’outil et de la masse rocheuse hôte. Une surveillance spécifique supplémentaire peut s’avérer nécessaire en fonction de la nature du SHR. Par exemple, des systèmes de détection acoustique distribuée (DAS) 903, cimentés derrière le tubage sacrificiel 906, permettraient la surveillance de la température et de la pression à l’interface entre la masse rocheuse et l’outil, tandis que des fibres de DAS insérées dans l’outil coaxial 100 et fixées au tube interne ou externe donneraient l’évolution de la température et de la pression avec la profondeur dans la boucle coaxiale. Dans une application, un réseau de capteurs sismiques 930, à la surface (ou enterré dans des environnements bruyants), comme l’illustre schématiquement la , offre un système supplémentaire pour détecter et localiser la création ou le cisaillement potentiels de failles et de fractures dues à des contraintes thermiques induites. Ce réseau peut également être utilisé pour déterminer l’emplacement du SHR et pour garantir que seul le sabot 130 pénètre dans le SHR, pas les tuyaux interne et externe.
Le terme « environ » est utilisé dans cette demande pour signifier une variation allant jusqu’à 20 % du paramètre caractérisé par ce terme. On comprendra que, bien que les termes « premier », « deuxième », etc. puissent être utilisés dans les présentes pour décrire divers éléments, ces éléments ne doivent pas être limités par ces termes. Ces termes sont uniquement utilisés pour distinguer un élément d’un autre. Par exemple, un premier objet ou une première étape pourrait être appelé un deuxième objet ou une deuxième étape et, similairement, un deuxième objet ou une deuxième étape pourrait être appelé un premier objet ou une première étape, sans s’écarter de la portée du présent exposé. Le premier objet ou la première étape, et le deuxième objet ou la deuxième étape, sont tous deux des objets ou des étapes, respectivement, mais
Les modes de réalisation décrits concernent un outil coaxial avec un sabot d’extrémité qui est utilisé pour extraire de la chaleur d’un réservoir qui présente un ou plusieurs paramètres extrêmes, comme une température élevée. En plaçant uniquement le sabot de l’outil dans le réservoir, les autres composants de l’outil sont partiellement protégés (isolés) de la température élevée. On comprendra que cette description n’est pas destinée à limiter l’invention. Au contraire, les modes de réalisation sont destinés à englober les alternatives, modifications et équivalents, qui sont inclus dans l’esprit et la portée de l’invention tels que définis par les revendications annexées. En outre, dans la description détaillée des modes de réalisation, de nombreux détails spécifiques sont exposés afin d’apporter une compréhension globale de l’invention revendiquée. Cependant, l’homme du métier comprendra que divers modes de réalisation peuvent être pratiqués sans de tels détails spécifiques.
Bien que les attributs et éléments des présents modes de réalisation soient décrits dans les modes de réalisation dans des combinaisons particulières, chaque attribut ou élément peut être utilisé seul sans les autres attributs et éléments des modes de réalisation ou dans diverses combinaisons avec ou sans autres attributs et éléments décrits dans les présentes.
Cette description manuscrite utilise des exemples de l’objet décrit pour permettre à toute personne expérimentée de pratiquer celui-ci, y compris fabriquer et utiliser tous dispositifs ou systèmes et effectuer tous procédés incorporés. La portée brevetable de l’objet est définie par les revendications, et peut inclure d’autres exemples qui apparaîtront à l’homme du métier. Ces autres exemples sont destinés à se situer dans la portée des revendications.
Claims (20)
- Outil (100) destiné à extraire de la chaleur d’un réservoir, l’outil comprenant :
un sabot (130) constitué d’un matériau qui supporte des températures supérieures à 500 °C ;
un tuyau externe (120) attaché au sabot (130) ;
un tuyau interne (110) situé à l’intérieur du tuyau externe (120) et formant un anneau (112) avec le tuyau externe (120), le tuyau interne (110) ayant un alésage (114) ; et
un raccord souple (140) configuré pour raccorder le tuyau externe (120) au sabot (130) de telle sorte que le tuyau externe (120) peut se dilater et se contracter sans fuite d’un fluide (154) à l’intérieur de l’anneau (112),
dans lequel le tuyau interne (110) et le tuyau externe (120) sont configurés pour former une boucle ininterrompue (156) pour le fluide (154) entre un sommet de l’anneau (112) et un sommet de l’alésage (114) tout en permettant également au fluide (154) d’entrer en contact direct avec le sabot (130). - Outil selon la revendication 1, comprenant en outre :
un élément faisant crépine (150) situé entre le tuyau interne et le sabot le long d’un axe longitudinal ; et
un raccord souple supplémentaire entre le tuyau interne et l’élément faisant crépine,
dans lequel la boucle s’étend depuis l’anneau jusqu’à l’alésage par une pluralité de trous formés dans l’élément faisant crépine. - Outil selon la revendication 2, dans lequel l’élément faisant crépine fait partie intégrante du sabot.
- Outil selon la revendication 1, dans lequel le tuyau interne est directement attaché au sabot avec un raccord souple supplémentaire.
- Outil selon la revendication 4, dans lequel le tube interne comporte une pluralité de trous de telle sorte que la boucle s’étend depuis l’anneau jusqu’à l’alésage par la pluralité de trous.
- Outil selon la revendication 1, comprenant en outre :
un ergot (610) qui attache solidement le tuyau interne par rapport au tuyau externe de telle sorte qu’une extrémité inférieure du tuyau interne flotte au-dessus du sabot pour permettre à la boucle de quitter l’anneau et de pénétrer dans l’alésage. - Outil selon la revendication 1, dans lequel le tuyau interne est directement raccordé au sabot avec un raccord souple supplémentaire, et le sabot a un ou plusieurs canaux qui permettent à la boucle de s’étendre depuis l’anneau jusqu’à l’alésage par le ou les canaux.
- Outil selon la revendication 7, dans lequel le ou les canaux sont formés exclusivement à l’intérieur d’un corps du sabot.
- Outil selon la revendication 1, dans lequel le sabot comporte uniquement un corps plein sans aucun autre composant.
- Outil selon la revendication 1, dans lequel les tuyaux interne et externe sont concentriques.
- Outil selon la revendication 1, dans lequel le sabot est façonné comme un cône et le sabot a une hélice attachée à une surface externe du cône, ou bien le sabot est façonné comme un cylindre ayant un bout distal.
- Système d’extraction de chaleur (900) destiné à extraire de la chaleur d’un réservoir, le système d’extraction de chaleur comprenant :
un élément de tubage (910) configuré pour être abaissé à l’intérieur d’un puits (902) ou entraîné à l’intérieur du sol ; et
un outil (100) configuré pour être attaché à une extrémité distale de l’élément de tubage (910),
dans lequel l’outil (100) comporte
un sabot (130) constitué d’un matériau qui supporte des températures supérieures à 500 °C ;
un tuyau externe (120) attaché au sabot (130) ;
un tuyau interne (110) situé concentriquement à l’intérieur du tuyau externe (120) et formant un anneau (112) avec le tuyau externe (120), le tuyau interne (110) ayant un alésage ; et
un raccord souple (140) configuré pour raccorder le tuyau externe (120) au sabot (130) de telle sorte que le tuyau externe (120) peut se dilater et se contracter sans fuite d’un fluide (154) à l’intérieur de l’anneau (112),
dans lequel le tuyau interne (110) et le tuyau externe (120) sont configurés pour former une boucle ininterrompue (156) pour le fluide (154) entre un sommet de l’anneau (112) et un sommet de l’alésage (114) tout en permettant également au fluide (154) d’entrer en contact direct avec le sabot (130). - Système d’extraction de chaleur selon la revendication 12, comprenant en outre :
un centreur (914) configuré pour centrer l’élément de tubage à l’intérieur du puits ; et
une garniture d’étanchéité (916) configurée pour empêcher un fluide provenant du puits d’avancer vers une partie supérieure de l’outil. - Système d’extraction de chaleur selon la revendication 12, dans lequel l’outil comprend en outre :
un élément faisant crépine (150) situé entre le tuyau interne et le sabot le long d’un axe longitudinal ; et
un raccord souple supplémentaire entre le tuyau interne et l’élément faisant crépine,
dans lequel la boucle s’étend depuis l’anneau jusqu’à l’alésage par une pluralité de trous formés dans l’élément faisant crépine. - Système d’extraction de chaleur selon la revendication 14, dans lequel l’élément faisant crépine fait partie intégrante du sabot.
- Système d’extraction de chaleur selon la revendication 12, dans lequel le tuyau interne est directement attaché au sabot avec un raccord souple supplémentaire, et dans lequel le tube interne comporte une pluralité de trous de telle sorte que la boucle s’étend depuis l’anneau jusqu’à l’alésage par la pluralité de trous.
- Système d’extraction de chaleur selon la revendication 12, dans lequel l’outil comprend en outre :
un ergot (610) qui attache solidement le tuyau interne par rapport au tuyau externe de telle sorte qu’une extrémité inférieure du tuyau interne flotte au-dessus du sabot pour permettre à la boucle de quitter l’anneau et de pénétrer dans l’alésage. - Système d’extraction de chaleur selon la revendication 12, dans lequel le tuyau interne est directement raccordé au sabot avec un raccord souple supplémentaire, et le sabot a un ou plusieurs canaux qui permettent à la boucle de s’étendre depuis l’anneau jusqu’à l’alésage par le ou les canaux.
- Système d’extraction de chaleur selon la revendication 18, dans lequel le ou les canaux sont formés exclusivement à l’intérieur d’un corps du sabot.
- Système d’extraction de chaleur selon la revendication 12, dans lequel le sabot est façonné comme un cône ou comme un cylindre ayant un bout distal.
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