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PRÉLEVEUR DE FLUIDE SOUS PRESSION POUR LA SURVEILLANCE DE STOCKAGE
GÉOLOGIQUE DE GAZ
Domaine
L'invention concerne le domaine technique de l'exploitation de milieu
souterrain, telle
l'exploitation de réservoir de gaz (stockage/soutirage de gaz, exploitation de
gaz) et la
surveillance de ces opérations (contamination des opérations sur les
aquifères). Notamment
l'invention concerne le domaine de la surveillance de site géologique de
stockage de gaz, tel
que le dioxyde de carbone (CO2) ou le méthane.
En particulier, l'invention concerne les dispositifs d'échantillonnage de
fluides, et plus
particulièrement un dispositif de prélèvement de fluides sous pression dans un
puits, une
canalisation, tube, conduit ou équivalent.
Contexte
Des fluides présents dans des puits ont souvent besoin d'être prélevés pour
déterminer
leur composition, afin de caractériser les réservoirs géologiques atteints par
le puits. C'est
notamment le cas pour la surveillance de site géologique de stockage de gaz.
Pour suivre l'évolution des fluides injectés au sein d'un milieu poreux, de
nombreuses
techniques ont été développées par les industriels.
On connaît par exemple des méthodes de surveillance géochimique de sites de
stockage
géologique de CO2, basées sur l'étude des espèces volatiles. Ces méthodes sont
décrites dans
FR 2.972.758 (6283) et FR 2.974.358 (6297)
Ces méthodes s'appliquent principalement au niveau de deux compartiments :
- au niveau du réservoir/aquifères salins où l'objectif principal est de
quantifier le CO2
dissous et précipité et donc d'établir un réel bilan de masse ;
- au niveau des aquifères sus-jacents à la roche de couverture ("cap-rock") où
l'objectif
principal est de diagnostiquer une fuite le plus précocement possible.
Pour mettre en uvre ces méthodes, il est donc nécessaire de disposer d'un
dispositif de
prélèvement de fluides sous pression dans un puits foré à travers une
formation géologique. Un
tel dispositif est appelé échantillonneur ou préleveur.
On connaît des échantillonneurs dits FTS (Flow Through Sampler), permettant
d'obtenir
des échantillons de fluide à partir d'un puits foré à travers une formation
géologique. Un tel
dispositif, se compose d'une chambre à échantillon avec une soupape à ressort
à chaque
extrémité. Un mécanisme de verrouillage relie les vannes et les maintient
ensemble ouvertes.
Au-dessus de la chambre, il existe une horloge pour programmer l'heure de
fermeture, et un
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mécanisme de déclenchement pour libérer les vannes. L'extrémité inférieure a
des moyens
pour permettre au fluide de pénétrer. Au sommet, il y a une prise de câble
pour fixer le câble.
On connaît du brevet US5945611A un dispositif de prélèvement de fluides sous
pression
dans une canalisation, tuyau, conduit ou analogue. Ce dispositif comprend une
pluralité de
pistons, un corps ayant un passage commun, dans lequel lesdits pistons sont
montés
coulissants, une entrée latérale et un orifice de sortie latéral situé à
l'intérieur de ladite voie de
passage et communiquant avec le pipeline, lesdits orifices d'entrée et de
sortie situés de telle
sorte que le mouvement des pistons peut couvrir et découvrir lesdits orifices
d'entrée et de
sortie.
On connaît du brevet US5896926 un dispositif de prélèvement de fluides
d'aquifère
souterrain in situ en condition statique sans perturbé l'environnant mais
comportant un "packer"
pour isoler le système de prélèvement avec la zone située au-dessus de lui
ainsi qu'un système
de pompage in situ dans ledit préleveur pour "aspirer" le fluide dans la
chambre
d'échantillonnage.
L'objet de l'invention concerne un dispositif de prélèvement de fluides sous
pression à
partir d'un puits, permettant d'échantillonner un fluide sous pression en
assurant un remplissage
complet d'une chambre d'échantillonnage, et un transfert du fluide hors de la
chambre en
contrôlant la pression.
Pour ce faire, le dispositif comporte d'une part un piston contrôlé par un
ressort baignant
dans une chambre d'huile pour échantillonner le fluide, et d'autre part, un
second piston pour
expulser le fluide lors du transfert.
Le dispositif est maintenu en position ouverte ou fermée par le ressort
comprimé logé dans
la chambre remplie d'huile. L'huile contenue dans la chambre du ressort permet
d'amortir l'effet
de décompression et de réaliser le prélèvement sans à-coup.
Le dispositif permet la récupération du fluide échantillonné grâce à l'action
mécanique d'un
piston solide au travers d'une vanne manuelle. Cette conception permet de
s'affranchir des
systèmes à mercure ou de système de piston fluide, et de pouvoir récupérer
tout ou partie du
fluide dans des conditions de pression contrôlée. De plus, cette conception
permet de
s'affranchir d'une chambre de compensation et d'une chambre d'huile comme
utilisé dans la
quasi-totalité des préleveurs connus.
Résumé
De façon générale, l'invention concerne un dispositif de prélèvement de
fluides sous
pression à partir d'un puits, comportant une chambre d'échantillonnage (01)
définissant un
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volume interne pour recevoir le fluide, un corps (10, 03, 08) surmontant
ladite chambre
d'échantillonnage, des moyens de circulation pour faire circuler le fluide
dans ladite chambre,
des moyens de maintien pour maintenir le fluide dans ladite chambre, et des
moyens de
transfert pour transférer le fluide hors de ladite chambre.
Selon un aspect englobant, l'invention vise un dispositif de prélèvement d'un
fluide sous
pression à partir d'un puits, comprenant une chambre d'échantillonnage
définissant un volume
interne pour recevoir le fluide, un corps surmontant la chambre
d'échantillonnage, des moyens
de circulation pour faire circuler le fluide dans la chambre, des moyens de
maintien pour
maintenir le fluide dans la chambre, et des moyens de transfert pour
transférer le fluide hors de
la chambre, où les moyens de maintien comprennent un premier piston adapté à
autoriser ou
interdire l'entrée de fluide dans la partie inférieure de la chambre, le
premier piston étant déplacé
au moyen d'un élément élastique placé dans une chambre remplie d'huile ; et où
les moyens de
transfert comprennent des moyens pour contrôler la descente d'un second piston
de la partie
supérieure vers la partie inférieure de la chambre, de façon à maintenir le
fluide à pression
constante dans la chambre.
Selon un autre aspect, le premier piston peut être relié à l'élément élastique
par un
élément rectiligne, de façon à ce que lorsque l'élément élastique est
compressé, l'élément
rectiligne pousse le premier piston hors de la chambre d'échantillonnage
laissant entrer un fluide
dans la chambre d'échantillonnage. Et lorsque l'élément élastique est détendu,
l'élément
rectiligne coopère avec le second piston pour fermer de façon étanche la
chambre
d'échantillonnage dans sa partie supérieure, et l'élément rectiligne remonte
le premier piston
pour fermer de façon étanche la chambre d'échantillonnage dans sa partie
inférieure.
Selon un mode de réalisation, l'élément rectiligne comporte une tige, le
second piston
possède un orifice central permettant à une partie supérieure de la tige de
coulisser, et
permettant une fermeture étanche avec une partie inférieure de la tige, le
diamètre de la partie
inférieure de la tige étant supérieure à celui de la partie supérieure.
La chambre d'échantillonnage peut être fermée dans sa partie inférieure par un
embout,
muni d'au moins un premier orifice, l'embout ayant une longueur permettant au
premier piston
de laisser entrer un fluide dans la chambre d'échantillonnage via le premier
orifice, lorsque
l'élément élastique est compressé.
Selon l'invention, les moyens de circulation peuvent comprendre au moins un
premier
orifice de sortie de fluide dans la partie supérieure de la chambre et au
moins un second orifice
sur l'embout.
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Le corps peut comprendre au moins un tube, le corps comportant l'élément
élastique et
des moyens pour détendre ou compresser l'élément élastique.
Les moyens pour détendre ou compresser l'élément élastique peuvent comporter
une
virole fendue montée coulissante dans le corps et coopérant avec une poignée
pour compresser
ou libérer l'élément élastique.
Les moyens pour détendre ou compresser l'élément élastique peuvent être reliés
à un
moteur électrique ou une horloge.
Le moteur électrique ou l'horloge peuvent être positionnés dans un tube
comportant une
vanne pointeau et un raccord haute pression pour remplir en huile la chambre
de l'élément
élastique.
L'élément élastique peut être un ressort ou un ensemble de rondelles
Belleville.
Selon l'invention, un piston de transfert peut être monté de façon à pousser
le second
piston, le piston de transfert étant creux et adapté de façon à ce que la tige
coulisse à l'intérieur.
L'embout peut être démonté de ladite chambre d'échantillonnage, et remplacer
par un
embout sans orifice permettant de maintenir ledit premier piston au sein de
ladite chambre.
Enfin, selon l'invention, le premier piston peut être équipé d'une vanne
pointeau et d'un
raccord haute pression permettant d'évacuer le fluide hors de la chambre
d'échantillonnage.
L'invention concerne également une utilisation du dispositif selon l'une des
revendications
précédentes, dans laquelle on réalise une surveillance de l'exploitation d'un
site géologique
souterrain par prélèvement de fluide sous pression au moyen d'un puits de
surveillance,
caractérisée en ce qu'on réalise les étapes suivantes :
- on actionne la poignée de façon à compresser l'élément élastique ;
- on descend le dispositif, en position ouverte , dans le puits de
surveillance, au moyen
d'un câble attaché à la partie supérieure du dispositif ;
- à une profondeur déterminée, le dispositif est laissé en position ouverte
pendant une
durée déterminée ;
- on actionne la poignée de façon à libérer l'élément élastique, le dispositif
passant en
position fermée ;
- on remonte le dispositif en surface ;
- on transfert ledit fluide hors de la chambre du dispositif, en poussant le
piston supérieur
tout en contrôlant la pression au moyen d'un capteur de pression, de façon à
ce que la
pression dans la chambre reste constante ;
- on réalise des analyses du fluide prélevé.
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L'exploitation d'un site géologique souterrain peut consister en la
surveillance d'un site de
stockage géologique de CO2, ou en la surveillance d'un site de
stockage/soutirage de gaz
naturel, ou en la surveillance d'un site d'exploitation de gaz de schistes.
D'autres caractéristiques et avantages du dispositif 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.
Brève description des figures
- La figure 1 illustre le dispositif en position ouverte . La figure de
droite est une coupe
selon l'axe A-A de la figure de gauche.
- La figure 2 représente la partie inférieure du dispositif.
- La figure 3 illustre le dispositif en position fermée . La figure
du milieu est une coupe
selon l'axe B-B de la figure de gauche, et la figure de droite est une coupe
selon l'axe C-
C de la figure du milieu.
- La figure 4 représente la partie centrale du dispositif.
- La figure 5 représente la partie supérieure du dispositif
- La figure 6 représente la répartition du fluide prélevé dans la partie
inférieure du
dispositif.
- La figure 7, illustre la position en mode transfert . La figure du milieu
est une coupe
selon l'axe A-A de la figure de gauche avec la chambre remplie de fluide, et
la figure de
droite est une coupe selon l'axe A-A de la figure de gauche avec la chambre
vidée.
- Les figures 8, 9 et 10 illustrent des vues 3D du dispositif.
Description détaillée de réalisations
Des variantes, des exemples et des réalisations préférées de l'invention sont
décrits ci-
dessous. Le dispositif selon l'invention pour prélever des fluides sous
pression est basé sur le
principe des échantillonneurs dit FTS (Flow Through Sampler), dans lesquels le
liquide du puits
circule librement à l'intérieur du dispositif.
Les figures 1 à 10 illustrent le dispositif selon l'invention pour prélever
des fluides sous
pression. Sur ces figures, les mêmes références ont été utilisées. Le
dispositif comporte au
moins :
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1. une chambre d'échantillonnage (01)
2. un corps (10, 03, 08) surmontant ladite chambre d'échantillonnage
3. des moyens de circulation pour faire circuler le fluide dans ladite
chambre,
4. des moyens de maintien pour maintenir le fluide dans ladite chambre, et
5. des moyens de transfert pour transférer le fluide hors de ladite chambre
Selon l'invention, les moyens de maintien comprennent un premier piston (05)
adapté
à autoriser ou interdire l'entrée de fluide dans la partie inférieure de
ladite chambre (01), le
dit premier piston étant déplacé par des moyens comportant un élément
élastique (20) placé
dans une chambre remplie d'huile au sein dudit corps et relié audit piston par
une tige (04).
Et les moyens de transfert comprennent des moyens pour contrôler la descente
d'un
second piston (02) de la partie supérieure vers la partie inférieure de la
dite chambre, de
façon à ce que ledit fluide reste à pression constante dans ladite chambre
(01).
Description du dispositif
La figure 1 illustre le dispositif en position ouverte . La figure de
droite est une
coupe selon l'axe A-A de la figure de gauche. La figure 2 représente la partie
inférieure du
dispositif. La figure 3 illustre le dispositif en position r< fermée . La
figure du milieu est une
coupe selon l'axe B-B de la figure de gauche, et la figure de droite est une
coupe selon l'axe
C-C de la figure du milieu. La figure 4 représente la partie centrale du
dispositif. Ainsi le
dispositif selon l'invention, comporte (figure 1) une chambre
d'échantillonnage (01). Cette
chambre a pour fonction de recevoir le fluide sous pression (en condition de
fond). La
chambre d'échantillonnage peut comporter une virole (01) définissant un volume
interne pour
recevoir le fluide. La partie inférieure de la chambre (01) peut être vissée
dans un embout
inférieur (06) comportant au moins un orifice pour laisser entrer le fluide.
Quant à la partie
supérieure de la chambre (01), elle est vissée dans un corps (10, 03, 08). La
chambre
comporte également un orifice dans sa partie supérieure, de façon à faire
circuler le fluide au
sein de la chambre : le fluide pénètre par l'ouverture inférieure de la
chambre, ou par l'orifice
de l'embout inférieur (06), et ressort au niveau de l'orifice de la chambre
dans sa partie
supérieure.
Le corps comprend une chambre remplie d'huile dans laquelle baigne un élément
élastique (20). Cet élément élastique peut être un ressort ou un ensemble de
rondelles
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Belleville. Il est relié par l'intermédiaire d'une entretoise (07) et d'une
tige (04) à un piston
inférieur (05).
Ce piston (05) est adapté à autoriser ou interdire l'entrée du fluide sous
pression dans
la partie inférieure de la chambre (01). Pour ce faire, en position haute, le
piston (05) est
positionné au moins partiellement dans la chambre (01), à son extrémité
inférieure, il en
bouche l'entrée de façon étanche (le piston possède des joints par exemple).
En position
basse, le piston sort de la chambre (01), laissant entrer le fluide. Lorsque
la chambre (01) est
munie d'un embout inférieur (06), cet embout (06) a une longueur permettant au
piston
inférieur (5) de sortir de la chambre, et donc, de laisser entrer un fluide
dans la chambre
d'échantillonnage (01) via l'orifice.
Ainsi, lorsque l'élément élastique (20) est compressé (figure 1 et 2), la tige
(04) pousse
(aidée de l'entretoise (07)) le piston inférieur (05) hors de la chambre
d'échantillonnage (01)
de façon à laisser entrer un fluide dans la chambre. En revanche, lorsque
l'élément élastique
(20) est détendu (figure 3 et 4), la tige (04) remonte le piston inférieur
(05) pour fermer de
façon étanche la chambre d'échantillonnage (01) dans sa partie inférieure.
Comme l'illustre les figures 1 et 2, le piston inférieur (05) peut être équipé
d'une vanne
pointeau (25) et d'un raccord haute pression permettant d'évacuer le fluide
hors de la
chambre d'échantillonnage (01), lorsque le dispositif est remonté, et que
l'échantillon de
fluide doit être analysé.
Un second piston (02), dit piston supérieur, est positionné dans la chambre
(01), à son
extrémité supérieure lorsque le fluide n'est pas en transfert hors de la
chambre. Ce piston
supérieur (02) est adapté à coulisser dans la chambre, d'une extrémité à une
autre. Il
possède un orifice central, permettant à une partie supérieure de la tige (04)
de coulisser, et
permettant une fermeture étanche avec une partie inférieure de la tige (04),
le diamètre de la
partie inférieure de la tige (04) étant supérieure à celui de la partie
supérieure. Ainsi, lorsque
l'élément élastique (20) est détendu, la tige (04) coopère avec le piston
supérieur (02) pour
fermer de façon étanche ladite chambre d'échantillonnage (01) dans sa partie
supérieure.
Pour ce faire la tige (04) possède un épaulement qui vient boucher le trou du
piston
supérieur (02). Ce piston supérieur (02) peut être verrouillé par des vis de
blocage (27)
adaptées.
La chambre peut être fermée au niveau de sa partie supérieure par un élément
du
corps (10, 03, 08), appelé tube de jonction (10). Ce tube de jonction est fixé
à un tube
supérieur (08) par l'intermédiaire d'un autre tube (03).
Le tube supérieur (08) comporte l'élément élastique (20) et des moyens (07,
22, 09,
23) pour le détendre ou le compresser. Ces moyens comprennent :
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- une entretoise d'appui du ressort (07) avec un goujon (21) et ses écrous
(22) ;
- une virole fendue (09) qui libère ou bloque le ressort en compression.
- une poignée (23) qui maintient le ressort comprimé.
Enfin, la figure 5 représente la partie supérieure du dispositif. Les moyens
(07, 22, 09,
23) pour détendre ou compresser ledit élément élastique (20) sont reliés à un
moteur
électrique ou une horloge (24). Cette partie moteur est située dans un tube de
logement (11),
qui est fixé au corps (10, 03, 08), au niveau du tube supérieur (08). Cette
partie moteur est
surmontée d'une pièce d'accroche (14) pour pouvoir attacher le dispositif à un
câble et le
descendre dans un puits.
Le moteur ou l'horloge coopère avec la poignée au moyen d'un axe.
Par ailleurs, le tube de logement (11) est équipé d'une vanne pointeau (26) et
d'un
raccord Haute Pression pour remplir en huile la chambre du ressort.
De plus, le dispositif selon l'invention comprend des moyens d'aide à la
fermeture (non
représentés) permettant d'évacuer de la chambre (01) une partie du fluide
prélevé, lors de la
remontée du piston inférieur (05), afin que le fluide n'entrave pas la
fermeture.
Fonctionnement du dispositif
Dispositif en position "ouverte" (figures 1, 2 et 6)
En position ouverte, le fluide sous pression circule librement au sein de la
chambre
d'échantillonnage (01). Dans cette position, le ressort (20) est armé et
maintenu à un certain
niveau (80 % par exemple) de sa compression par une poignée (23) reliée à
l'axe du moteur
(ou de l'horloge).
Dans cette configuration le piston inférieur (05) est en position basse. Le
fluide du puits
circule donc librement au travers de la chambre d'échantillonnage (pendant la
descente du
préleveur dans le puits par exemple). Dans la partie inférieure de la chambre,
le fluide passe
par les orifices de l'embout (06), le fluide remonte dans la chambre et passe
entre la tige (04)
et le piston supérieur (02). Un jeu de perçages et d'ouvertures permet au
fluide de circuler
par les orifices (ouvertures oblongues) de la virole (01). Les zones grisées
sur la figure 6
indiquent la présence du fluide.
Selon un mode réalisation, les orifices (ouvertures oblongues) de la chambre
(01) et de
l'embout (06) sont équipés d'une grille (avec un maillage de 80 m par
exemple) pour
tamiser les particules solides du fluide.
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Dispositif en position "fermée" : verrouillage de la chambre d'échantillonnage
(figure 3)
Pour déclencher le prélèvement de d'échantillon, le ressort (20) est libéré.
Pour cela, la
poignée (23) tourne et dès qu'elle a effectué 1/4 de tour, elle se retrouve
fasse à l'ouverture
de la virole (09). Le ressort (20) est alors libéré et se détend entrainant
avec lui : l'entretoise
(07), la tige (04) et le piston inférieur (05). Comme la chambre du ressort
est remplie d'huile,
cette remontée se fait sans à-coup et ne perturbe pas le fluide prélevé.
Une fois le ressort détendu, le piston (05) se retrouve dans la partie
inférieure de la
virole (01) et l'étanchéité est assurée dans la partie inférieure de la
chambre
d'échantillonnage. Dans la partie supérieure c'est la tige (04) qui fait
étanchéité sur le piston
supérieure (02) grâce au diamètre plus large à la base de la tige.
L'échantillon de fluide est
isolé et étanche. Le préleveur peut être remonté à la surface.
Pour tourner la poignée, deux modes de réalisation sont décrits :
- Un opérateur en surface actionne le moteur électrique (24) le moment voulu.
Ce moteur tourne la poignée (23).
- Une horloge embarquée et autonome actionne la poignée (23) à la date et
l'heure programmées.
Dispositif en position "transfert" (figure 7)
La figure 7, illustre la position en mode c< transfert ) . La figure du milieu
est une coupe
selon l'axe A-A de la figure de gauche avec la chambre remplie de fluide, et
la figure de
droite est une coupe selon l'axe A-A de la figure de gauche avec la chambre
vidée. Une fois
le dispositif remonté en surface, on peut transférer l'échantillon de fluide.
Pour cela il faut :
- Dévisser l'embout (06) et le remplacer par l'embout (13), celui-ci permet
de bloquer le
piston inférieur (05) dans sa position, au sein de la chambre (01).
- Purger l'huile de la chambre du ressort via la vanne pointeau (26) et
récupérer l'huile en
se connectant sur le raccord HP.
- Démonter la partie "moteur et accroche" en dévissant le tube de jonction
(11).
- Dévisser le tube (8).
- Retirer les écrous (22) et dévisser le goujon (21).
- Dévisser le tube de jonction (03) puis le retirer avec l'entretoise
d'appui (07) et le ressort
(20).
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- Emmancher le piston de transfert (12) jusqu'à buter sur le piston
supérieur (02).
- Dévisser les vis de blocage (27).
- Se connecter au raccord HP du piston inférieur (05).
- Appliquer le mouvement de transfert du piston (12) sur le piston
supérieur (02) et ouvrir
la vanne pointeau (25).
- Le transfert est terminé une fois le piston supérieur (02) en appui sur
le piston inférieur
(05).
Les figures 8, 9 et 10 illustrent des vues 3D du dispositif.
Utilisation du dispositif
L'invention concerne également un procédé de surveillance de l'exploitation
d'un site
géologique souterrain. Il peut s'agir de :
- la surveillance d'un site de stockage géologique de CO2;
- la surveillance d'un site de stockage/soutirage de gaz naturel ;
- la surveillance d'un site de géothermie ; ou
- la surveillance d'un site d'exploitation de gaz de schistes.
L'utilisation du dispositif selon l'invention, pour réaliser une surveillance
de
l'exploitation d'un site géologique souterrain par prélèvement de fluide sous
pression au
moyen d'un puits de surveillance, comprend alors les étapes suivantes :
- on actionne la poignée de façon à compresser l'élément élastique ;
- on descend le dispositif, en position (, ouverte , dans le puits de
surveillance, au
moyen d'un câble attaché à la partie supérieure du dispositif ;
- à une profondeur déterminée, le dispositif est laissé en position c<
ouverte pendant
une durée déterminée ;
- on actionne la poignée de façon à libérer l'élément élastique, le dispositif
passant en
position fermée ;
- on remonte le dispositif en surface ;
- on transfert ledit fluide hors de la chambre du dispositif, en poussant
le piston
supérieur tout en contrôlant la pression au moyen d'un capteur de pression, de
façon
à ce que la pression dans la chambre reste constante ;
- on réalise des analyses du fluide prélevé telles que : analyse des
espèces aqueuses
cationiques et anioniques, analyse des éléments dits "traces", analyses du
carbone
organique et inorganique dissous, analyses des gaz dissous (majeurs et gaz
rares).
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Ce dispositif présente l'avantage de pouvoir être descendu en position ouverte
dans le
milieu souterrain, de manière à s'affranchir des problèmes d'ouverture au sein
du milieu
souterrain et pour permettre un remplissage complet de la chambre de
prélèvement.
L'ensemble des analyses est interprété et permet de déterminer notamment si
une
fuite de CO2 est présente au niveau du site de stockage et de quel type de
fuite il s'agit.
Pour tourner la poignée, deux modes de réalisation sont possibles :
Un opérateur en surface actionne le moteur électrique (24) le moment voulu. Ce
moteur tourne la poignée (23).
Une horloge embarquée et autonome actionne la poignée (23) à la date et
l'heure
programmées.
