Note : Les descriptions sont présentées dans la langue officielle dans laquelle elles ont été soumises.
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PROCEDE D'ISOLATION DE SOUS-SOL
La présente invention concerne le domaine de la construction ou du forage
notamment dans l'hypothèse où le sol est constitué de pergélisol.
Le pergélisol (en anglais : permafrost) désigne la partie d'un sol gelé en
permanence, au moins pendant deux ans.
Du fait de l'existence d'hiver très froid, le froid peut pénétrer profondément
dans le
sous-sol. Durant l'été, les faibles chaleurs ne permettent pas de réchauffer
le sous-
sol dans toute sa profondeur : certaines parties du sous-sol sont ainsi
constamment
gelée.
Néanmoins, si le pergélisol se dégèle (artificiellement ou naturellement),
celui
devient instable car ses propriétés mécaniques s'en trouvent modifiées. Par
exemple, le pergélisol peut se réchauffer du fait :
- du réchauffement climatique ;
- d'un forage (frottements mécaniques du foret dans le sous-sol) ;
- de l'exploitation d'un puits de production existant (le pétrole ou le gaz
de
production étant à des températures supérieures à 0 C) ;
- de la réaction exothermique de durcissement de béton/ciment (en cas,
notamment d'installation d'une chape de béton/ciment à même le sol ou pour
la construction d'un puits de production dont les parois seraient cimentées) ;
- de la simple présence de bâtiment construit à même le sol, limitant de
fait la
pénétration du froid sous le bâtiment ;
- etc.
En cas de dégel du pergélisol, les éventuelles installations/bâtiments
installés
dessus ont tendance à s'enfoncer dans le sous-sol du fait de leur propre
poids, le sol
dégelant perdant alors sa capacité de résistance.
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Afin d'éviter le dégel du pergélisol en cas de présence d'un bâtiment,
certains
Etats ont édité des règles de construction visant à surélever les bâtiments à
l'aide de
pilotis et ainsi favoriser la pénétration du froid dans le sous-sol (voir
Construction
Code and Regulation ¨ Base and Foundations on the permafrost sous ¨ SniP
2.02.04-88 ¨ USSR State Building and Construction Commitee ).
Néanmoins, ces méthodes ne permettent pas la construction de tout type de
bâtiments (ex. bâtiments devant supporter des poids importants, routes, pistes
d'aéroport, supports de forage, zones de stockage, etc.).
De plus, ces méthodes ne résolvent pas les problématiques liées à l'apport de
chaleur depuis un puits de production : il existe ainsi des risques de perte
de
confinement ou de stabilité pour le puits ou les outils de forage. Certains
ont proposé
d'isoler le puits du sous-sol en ajoutant dans un espace annulaire du puits
des
matériaux isolants. Cependant, ceux-ci sont chers car leur pouvoir d'isolation
doit
être important, l'espace disponible pour l'installation de ces isolants étant
faible dans
un puits.
A l'inverse, dans le cadre de stockage de gaz liquéfiés dans le sol, on peut
chercher à éviter la congélation du sous-sol qui pourrait provoquer des
soulèvements
et des dégâts sur le confinement/stockage. Ainsi, habituellement, des systèmes
de
chauffage extérieur du sous-sol sont mis en oeuvre et les parois de l'ouvrage
de
stockage sont recouvertes d'un isolant coûteux et fragile.
Il y a ainsi un besoin pour faciliter la construction de bâtiment à même le
sol dans
des zones de pergélisol et/ou pour isoler les puits de production de manière
simple et
économique.
La présente invention vient améliorer la situation.
A cet effet, la présente invention propose une méthode polyvalente et
économique
afin de résoudre les problèmes posés ci-avant.
La présente invention vise alors un procédé d'isolation d'un sous-sol
comportant :
/a/ déstructuration mécanique dudit sous-sol ;
/b/ injection d'un matériau isolant dans ledit sous-sol déstructuré ;
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/c/ mélange dudit sous-sol et dudit matériau isolant.
Ledit matériau isolant possède une conductivité thermique strictement
inférieure à
une conductivité thermique du sous-sol.
Ledit matériau isolant peut également avoir une conductivité thermique
inférieure
à 2, 3, 4, 5, 10, 20, 30, 40, 50, 100, 200, 300, 400, 500, 1000 fois la
conductivité
thermique du sous-sol.
On appelle déstructuration d'un sous-sol la modification apparente et/ou
visuelle de sa structure macroscopique par rapport à un état initial considéré
comme
normal pour l'endroit considéré. Par exemple, le labour d'un champ permet de
déstructurer la surface d'un sol. La déstructuration permet de faire perdre la
cohérence de structure qu'un sous-sol compacté peut avoir (à l'échelle du
centimètre
ou du millimètre). Ainsi, deux parties d'un sous-sol déstructuré ne possèdent
plus de
résistance à l'éloignement (ou tout du moins inférieure par rapport à la
résistance
initiale) : si la force minimale, en condition de laboratoire, nécessaire pour
dissocier
deux volumes adjacents isolés d'un sous-sol structuré est de F, la force
minimale, en
condition de laboratoire, nécessaire pour dissocier deux volumes adjacents
isolés
d'un sous-sol déstructuré est inférieure à F/2 (le volume élémentaire peut
être un
cube de 2cm de coté).
La simple injection d'isolant dans le sol (i.e. sans mélange et
déstructuration) peut
ne pas être satisfaisante/suffisante pour les modes de réalisations envisagées
car sa
répartition dans le sol peut être trop inhomogène et nécessité la présence de
vides
pouvant être comblés dans le sous-sol.
Ce procédé permet ainsi de modifier les caractéristiques thermiques du sous-
sol
en place sans le remplacer. Cela permet notamment :
- de réduire au maximum les déblais (car le sous-sol existant n'est pas
totalement extrait mais réutilisé dans le mélange),
- de réduire les travaux de superstructure ou de forage,
- de pérenniser les ouvrages et la stabilité des têtes de puits,
- de reconsidérer le stockage enterré de gaz liquéfié (par exemple,
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l'augmentation des volumes de stockage, la réduction des travaux d'isolation,
etc.).
De plus, ce procédé permet notamment d'éviter de construire une structure
porteuse pour une construction d'une chape ou d'un bâtiment, avec des pieux,
au-
dessus du pergélisol et ainsi permet de pouvoir poser les ouvrages directement
sur
le sol. Cela permet de réduire les quantités de pieux et structures
métalliques à
construire tout en facilitant l'usage et l'exploitation des bâtiments.
Par ailleurs, en cas de forage, ce procédé peut permettre de disposer d'une
solution alternative ou complémentaire aux solutions d'isolation dans le puits
existantes. En traitant/isolant le sous-sol comme décrit précédemment, sous
les
installations de forage, il est possible de réduire les problématiques de
tassement et
dégradation dans le temps des zones de travail.
Enfin, dans le cadre du stockage du gaz liquéfié de manière enterrée, il est
possible de s'affranchir, au moins partiellement, des systèmes de chauffage du
radier. Ainsi, en mettant en oeuvre le procédé décrit précédemment, il est
possible
d'allonger la période de disfonctionnement du système de chauffage avant
d'avoir un
effet sur le sol. Par ailleurs, l'existence du sous-sol isolé permet de
réduire les
besoins calorifiques apportés par le système de chauffage et donc de réduire
le coût
d'exploitation du dispositif de stockage.
La déstructuration mécanique peut être réalisée à l'aide d'une pelleteuse ou à
l'aide d'une pièce mécanique (par exemple hélicoïdale) mise en rotation. Par
ailleurs,
cette déstructuration peut être réalisée au moyen d'un jet haute-pression d'un
liquide
apte à déstructurer le sous-sol.
Le matériau isolant peut être avantageusement un isolant de type mousse
polyuréthane ou époxydique conférant les qualités de résistance et solidité
requise
ainsi que la performance thermique recherchée.
Avantageusement, la déstructuration dudit sous-sol peut comprendre :
- un forage d'un puits d'injection dans le sous-sol ;
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- déplacement d'une buse d'injection dans le puits d'injection ;
- injection lors dudit déplacement d'un fluide de déstructuration à haute
pression apte à déstructurer le sous-sol par ladite buse d'injection.
L'injection dudit isolant peut alors être effectuée lors dudit déplacement.
5
En outre, le mélange dudit sous-sol et dudit matériau isolant peut comprendre
une
rotation d'un arbre mécanique dans ledit sous-sol.
Dans un mode de réalisation, le matériau isolant peut comprendre un matériau
se
solidifiant après injection.
Ainsi, cet isolant confère une solidité accrue du sous-sol ainsi qu'une
étanchéité.
Avantageusement, la solidification peut comprendre une réaction exothermique.
Cette réaction exothermique peut ainsi dégeler, temporairement le pergélisol
au
contact de l'isolant en cours de solidification ainsi accroitre la zone dans
laquelle
l'isolant est mélangé dans le sous-sol.
Le matériau isolant comprend un matériau hydrophobe. Ainsi, l'étanchéité des
parties du sous-sol traité peuvent s'en trouver accru.
Dans un mode de réalisation particulier, la température dudit fluide de
déstructuration peut être supérieure de 20 C à unetempérature du sol.
Ainsi, si le sous-sol est gelé, le pouvoir de déstructuration dudit fluide est
augmenté sans augmenter la pression utilisée pour l'injection. La
déstructuration est
ainsi facilitée et l'efficacité du procédé est augmentée.
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Le procédé peut comprendre en outre un forage d'un puits de production dans
ledit sous-sol mélangé avec ledit matériau isolant.
Avantageusement, le sous-sol mélangé a une forme de cône renversé (par
exemple une pyramide renversée).
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront encore à la
lecture de la description qui va suivre. Celle-ci est purement illustrative et
doit être lue
en regard des dessins annexés sur lesquels :
- la figure 1 illustre une réalisation particulière de procédé d'isolation de
sous-
sol selon l'invention ;
- la figure 2 illustre une forme particulière d'isolation de sous-sol dans
un
mode de réalisation selon l'invention ;
- les figures 3a et 3b illustrent le forage d'un puits d'exploitation dans
le cadre
d'un sous-sol isolé dans un mode de réalisation de l'invention ;.
- la figure 4 illustre une conductivité thermique A. en fonction de la
concentration de certains matériaux ; - la figure 5 illustre une conductivité
thermique A. en fonction de la porosité du ciment.
La figure 1 illustre une réalisation particulière de procédé d'isolation de
sous-sol
selon l'invention.
La déstructuration mécanique du sous-sol, l'injection d'un matériau isolant
dans ce
sous-sol et le mélange de l'ensemble peuvent être réalisée de multiples
façons. A
titre d'illustration, il est possible de creuser le sol avec une pelle ou un
engin
mécanique de type pelleteuse afin de déstructurer le sol, d'injecter à la
surface du sol
creuser l'isolant souhaité et le mélanger manuellement l'ensemble.
Avantageusement, il est également possible de:
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- forer un puits 101 dans le sous-sol 100 à l'aide de dispositif de forage
classique ;
- d'introduire une buse 103 fixée à une tige d'injection 102 dans le puits
et
jusqu'au fond du puits ;
- mettre en rotation la tige d'injection et la buse ;
- une fois mise en rotation, injecter depuis la buse, selon un axe radial à
l'axe
de rotation de celle-ci (i.e. dans un plan horizontal sur la figure 1), un
liquide
104 permettant de déstructurer le sous-sol et un isolant 105 à mélanger au
sol.
On appelle sous-sol traité ou sous-sol isolé une partie du sous-sol
ayant
été mélangée avec un isolant comme indiqué ci-dessus.
Le liquide permettant de déstructurer le sous-sol est, par exemple, de l'eau.
Avantageusement, ce liquide est injecté à très haute pression afin qu'il soit
apte à
déstructurer le sous-sol efficacement. Par ailleurs, et notamment dans le
cadre de
sous-sol en pergélisol, il peut être avantageuse d'injecter un liquide dont la
température est supérieure à 0 C afin de faire fonde le sous-sol gelé, par
exemple
plus de 20 C, de 30 C, de 50 C, de 70 C ou même de100 C au-dessus de la
température du sous-sol considéré.
L'injection est effectuée en remontant la buse 103 dans le puits 101. Du fait
de
l'efficacité du jet de déstructuration (qui est liée aux propriétés du sous-
sol et à la
pression du liquide de déstructuration injectée), le mélange entre le sous-sol
et
l'isolant est effectif dans un rayon r autour de l'axe du puits.
Au final, une colonne 106 de hauteur h et de rayon r est traitée et est
ainsi
considérée comme étant un sous-sol isolé .
Il est également possible d'ajouter au dispositif décrit (éventuellement en
remplacement de l'injection du fluide de déstructuration) un dispositif
mécanique de
mélange telle une palle ou une hélice mise en rotation par la rotation de
l'arbre 102
et venant mélanger mécaniquement le sous-sol avec l'isolant.
L'isolant peut être avantageusement un isolant de type mousse polyuréthane ou
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époxydique conférant les qualités de résistance et solidité requise ainsi que
la
performance thermique recherchée.
Cet isolant peut être également de la perlite (bille d'isolant) associée par
exemple
à un coulis de ciment.
La figure 2 illustre une forme particulière d'isolation de sous-sol dans un
mode de
réalisation selon l'invention.
Le procédé, décrit en relation avec la figure 1, peut être répété un grand
nombre
de fois dans une même zone, les parties du sous-sol traitées pouvant être
connexes (i.e. adjacente) ou quasi-connexes (les distances horizontales entre
deux
colonnes traitées étant inférieur à r).
Avantageusement, la forme générale des parties du sous-sol 200 traitée
(201a, 201b, 201c, etc.) forme un cône renversée 202 comme le montre la figure
2.
La base de ce cône (à la surface du sous-sol) peut servir de support pour la
construction d'une chape de béton ou de toute autre construction à même le
sol.
Cette forme peut permettre une meilleure pénétration du froid sous les parties
de
sous-sol traité (i.e. une meilleur extraction de chaleur sous les parties de
sous-sol
traité, flèches 204). Ainsi, le sous-sol au contact de ce cône renversé 202
peut rester
gelé et ainsi participer à la solidité des fondations de la chape 203 ou tout
autre
installation en surface.
Les figures 3a et 3b illustrent le forage d'un puits d'exploitation dans le
cadre d'un
sous-sol isolé dans un mode de réalisation de l'invention.
Afin de réaliser un forage pour un puits de production d'hydrocarbures, il est
possible, préalablement, d'isoler une partie de sous-sol comme décrit
précédemment, puis de forer un puits dans cette partie de sous-sol isolé.
La profondeur de la partie du sous-sol traité pour une isolation (ex. 40-100m)
peut,
bien entendu, être inférieure à la profondeur complète du puits (ex. 2000m).
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Dans un mode de réalisation possible de l'invention (Figure 3a), il est
possible de
d'isoler plusieurs colonnes de sous-sol (301, 302, 303) comme décrit
précédemment,
ces parties étant adjacentes. Le forage 304 est alors effectué dans une zone
isolée
du sous-sol. Ce mode de réalisation est avantageux notamment si les propriétés
mécaniques du sous-sol traité sont plus favorables à un forage que les
propriétés
mécaniques du sous-sol non traité (ex. densité plus faible, abrasion mécanique
plus
faible, etc.).
Dans un autre mode de réalisation possible de l'invention (Figure 3b), il est
possible de d'isoler plusieurs colonnes de sous-sol (305, 306, 307) comme
décrit
précédemment, ces parties étant adjacentes mais des espaces intercalaires de
sous
¨sol non traité existent entre ces parties. Le forage 308 est alors effectué
dans une
de ces zones non traités du sous-sol. Ce mode de réalisation est avantageux
notamment si les propriétés mécaniques du sous-sol traité sont moins
favorables à
un forage que les propriétés mécaniques du sous-sol non-traité (ex. densité
plus
forte, abrasion mécanique plus forte, etc.).
Bien entendu, la présente invention ne se limite pas aux formes de réalisation
décrites ci-avant à titre d'exemples ; elle s'étend à d'autres variantes.
D'autres réalisations sont possibles.
Par exemple, les figures 3a et 3b représentent trois colonnes (parties de sous-
sol
isolé) mais tout autre nombre est possible.
Par ailleurs, Il est également possible, en combinaison ou en lieu et place de
ce
qui a été indiqué précédemment, d'éviter la déstabilisation du pergélisol due
à
l'utilisation de ciment lors de forages de puits ou de production de fluides à
partir de
ces puits.
Lors de la prise du ciment, la réaction chimique (transformation des silicates
et
aluminates en hydrate) est une réaction exothermique. La chaleur générée va
faire
fondre le pergélisol. Il y aura donc déstabilisation de l'environnement proche
du puits.
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Dans le cas où un ciment ou autres matériaux sont utilisés lors de la phase de
production, le fluide provenant du sous-sol est remonté en surface. Ce fluide
est à
une température élevée et sa chaleur peut se dissiper dans le puits. Cela peut
conduire de nouveau à une déstabilisation du pergélisol.
5 Il
est donc préférable d'avoir un ciment à faible chaleur d'hydratation. Mais
dans le
cas où le fluide remonté en surface est très chaud et le débit est important,
la faible
conductivité thermique du ciment ne peut suffire. Il est alors utile de
l'associer avec
un matériau possédant une très faible conductivité thermique.
La composition résultante peut limiter les échanges thermiques entre le puits
et le
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pergélisol. Elle doit isoler thermiquement le sous-sol, tout en apportant, de
préférence, un support mécanique au puits.
Il existe aujourd'hui divers matériaux qui sont ajoutés au ciment, par exemple
la
vermiculite, ou des billes creuses. Cependant, la chaleur d'hydratation et la
capacité
d'isolation thermique ne permettent pas de garantir que le pergélisol ne soit
pas
déstabilisé.
Il y a donc un besoin pour une composition comprenant au moins un ciment et un
matériau à faible conductivité thermique, apte à isoler thermiquement le sous-
sol
suffisamment pour ne pas déstabiliser le pergélisol.
L'invention consiste à appliquer un matériau composite, par exemple de la
mousse syntactique, sur le casing du puits, afin d'avoir une bonne isolation
thermique, et d'injecter un ciment entre la formation et la mousse
syntactique. Le
ciment est de préférence à faible chaleur d'hydratation, de façon à ne pas
déstabiliser le pergélisol lors de sa prise et avoir si possible une faible
conductivité
thermique pour renforcer l'isolation.
Le matériau composite ne peut pas être utilisé seul, car il est nécessaire de
combler l'espace entre le pergélisol et le matériau. Le ciment à faible
chaleur
d'hydratation et faible conductivité thermique remplit ce rôle.
A titre d'exemple, un matériau composite isolant seul a une faible
conductivité
thermique (de l'ordre de 0.03 ¨ 0.05 W/m.K), alors qu'elle est de l'ordre de
0.9 W/m.K
pour un ciment net (eau + ciment classe G HSR). On peut abaisser la
conductivité
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thermique du ciment à 0.4 ou 0.5 W/m.K en lui ajoutant divers matériaux et
optimisé
la porosité. Les deux exemples suivants montrent l'impact de la concentration
en
matériau isolant sur la conductivité thermique puis l'impact de la porosité.
Ces tests
sont réalisés avec un ciment classe G qui n'est pas à faible chaleur
d'hydratation. On
peut voir que plus la concentration en matériau isolant est importante, plus
la
conductivité thermique est faible. Par contre, au-delà de 55% de porosité, il
n'y a plus
diminution de la conductivité.
A titre d'illustration, la figure 4 donne des exemples de courbes de
conductivité
thermique A. en fonction de la concentration de certains matériaux. Le ciment
est
notamment composé de ciment de forage (Cemoil) de classe G, de silice, de
sphères
creuses (50 à 60%), un antimoussant, un dispersant, un suspenseur, et de
l'eau.
De plus, la figure 5 donne un exemple de courbe de conductivité thermique A.
en
fonction de la porosité du ciment.
L'utilisation d'un ciment à faible chaleur d'hydratation et contenant un
matériau
pour obtenir une faible conductivité thermique, combiné avec un matériau
composite
isolant, permet d'obtenir une qualité d'isolation bien supérieure aux
solutions
existantes.
Il est préférable que le ciment à faible chaleur d'hydratation soit différent
d'un
ciment conventionnel, par exemple dilué avec un autre matériau (comme le
silice ou
le carbonate), afin d'avoir de bonnes propriétés mécaniques.
On peut constater expérimentalement que la résistance à la compression pour un
ciment classe G, ciment net ou conventionnel et deux autres ciments, à faible
chaleur
d'hydratation sont sensiblement du même ordre de grandeur.
