5.2. Principe de stockage du gaz dans le sel.
Le stockage du gaz dans le sel est analogue à une
bouteille de gaz comprimé, en tans que volume, ce type de
réservoir possède une dimension plus élevée; il
peut atteindre plusieurs milliers de mètres cubes, avec une hauteur de
quelques centaines de mètres et de diamètre de quelques centaines
de mètres. La résistance mécanique à la pression du
gaz est assurée par le poids du terrain. Le sel gemme (la halite) est la
roche de prédilection pour le creusement de tels ouvrages en raison de
ses caractéristiques d'étanchéité excellentes, de
sa solubilité dans l'eau. En effet, le sel gemme permet le creusement
par dissolution (technique beaucoup plus facile et moins onéreuse que le
creusement minier traditionnel), et par sa bonne résistance
mécanique à la rupture. (Sous étreinte isotrope
correspondant à la pression géostatique due au poids de terrains
sus-jacents, soit environ 0,023 MPa par mètre de profondeur).
Le stockage en cavités creusées dans le sel
présente l'avantage de performances en débit d'émission
inégalables en regard des quantités de gaz
immobilisées.
Les chlorures sédimentaires, et en particulier la
halite, la sylvine et la carnallite, sont les plus importants pour l'industrie
(voir tableau. 1); il convient de souligner cependant l'intérêt de
la cérargyrite, AgCl2, notable minerai d'argent, et de l'atacamite, de
formule Cu2(OH3) Cl, qui sont exploités dans certains « chapeaux
» de gisements sulfurés.
L'halite est un minéral qui à l'état
pur forme une roche sédimentaire constituée uniquement de
cristaux de chlorure de sodium (Na Cl). Les formations salifères se
présentent en couches plus ou moins épaisses pouvant atteindre ou
dépasser le millier de mètres et en dômes d'extension
verticale souvent très importante (quelques milliers de mètres).
Sa porosité très petite et fermée (porosité inter
cristalline : c'est la porosité résultante des vides
laissés entre les cristaux à la suite d'une recristallisation ou
d'une précipitation. Les faces des pores sont généralement
planes et la dimension des vides sont très variables. Sa
perméabilité très faible (inférieure à 10-17
m2, soit 10-2 milli Darcy) lorsqu'il est confiné.
Ces propriétés (petite porosité et faible
perméabilité), et les phénomènes capillaires qui
leur sont liés, garantissent
l'étanchéité des cavités de
stockage de fluides non mouillants tels que le gaz et les
hydrocarbures.
Tableau.1 Classification des Chlorures naturels
(Universalis X).
5.2.1. Conditions physique pour la réalisation
de cavités dans le sel
Plusieurs conditions sont nécessaires pour
l'élaboration de ces cavités parmi ceux on note : la
géométrie, la pureté, la profondeur, l'épaisseur et
le fluage.
· La géométrie
: les structures en dôme sont les plus adoptés pour la
construction des cavités salines, mais ce ci est aussi possible dans le
sel en couche.
· Pureté : le sel
ne doit pas présenter aucune trace de potassium, d'anhydride ou d'argile
en théorie (le potassium ou de magnésium, fluent en
général beaucoup plus que le sel gemme d'où leurs
risques), mais en pratique un mélange de 1 à 10% et même
plus de matières in-
·
solubles (anhydrite et argile) et sans mélanges
considérables de potassium et manganèse, comme dans la plupart
des cas, est convenable pour l'installation de cavernes.
Profondeur : une caverne de
stockage dans le sel peu se faire a des profondeurs oscillant entre 200 et 1
800 m en dessous de la surface.
· Épaisseur : dans
la mesure du possible, le sel stratifie ne doit pas avoir moins de 80 a 100 m
d'épaisseur. Cette épaisseur minimale est primordiale pour la
stabilité structurelle de la cavité, de façon à ce
qu'il soit possible de laisser une paroi de sécurité entre le
plafond de la cavité et les formations qui le surplombent. Les
dômes de sel ont normalement des ex-
tensions verticales allant jusqu'a 1 000 m.
(Haddenhorst, H-G., Lorenzen, H., Meister, F., Schaumberg G.
und Vicanek,J., Hochdruck-ErdgasSpeicherung in Salzkavernen
ErdÖl-Ergas-Zeitschrift 80).
· Le fluage du sel,
devient d'autant plus rapide que la profondeur croit (plus de1000
mètres). La vitesse du fluage du sel gemme varie dans un facteur de 1
à 20 (selon la cristallisation du sel, selon sa teneur en
impuretés (argiles, anhydrite, calcite...= les insolubles..). Aucune
rupture n'a été enregistrée sur le millier de
cavités de stockage, dont plus d'une centaine de gaz naturel,
exploitées de part le monde, depuis plus de trente ans pour les plus
anciennes. Les études géotechniques pour le dimensionnement des
cavités de stockage doivent répondre aux conditions de la loi
rhéologique du sel.
La cavité de stockage est soumise à une
contrainte sensiblement hydrostatique (les contraintes horizontales et
verticales sont égales). Le poids du terrain dont la densité est
de 2.3 exerce une contrainte géostatique (vierge ou terrastatique)
s'accroît d'environ 0,023 MPa par mètre de profondeur. A 800m de
profondeur elle vaut donc environ 18.4 MPa (184bar). L'équilibre naturel
des terrains est rompu à cause du vide crée, ce qui pourrait
provoquer une instabilité mécanique dont les manifestations
peuvent se traduire par une diminution de volume de la cavité par fluage
ou écoulement du sel, et corrélativement par la subsidence des
terrains jusqu'en surface. Des ruptures localisées voire
générales apparaissent possibles.
L'étude de la stabilité est la
première étape des études. En générale, elle
est réalisée à l'aide d'une solution analytique obtenue
par intégration de la loi de comportement viscoplastique (les
déformations élastiques étant négligées) en
assimilant la cavité à une sphère
isolée en milieu homogène et isotrope
d'extension infinie. On évalue ainsi l'ordre de grandeur de
l'évolution de la convergence (ou diminution de volume) d'une
cavité projetée soumise au scénario d'exploitation
envisagé. Si la convergence apparaît raisonnable (par exemple
inférieure à 2% par an), la deuxième étape des
études de stabilité est entreprise. Elle consiste cette fois
à utiliser un modèle maillé pour optimiser, en terme de
stabilité, les choix de :
- la pression minimale de service.
- la géométrie d'une cavité.
- l'espacement minimal des cavités.
- la zone sur laquelle seront développées les
cavités lorsque l'épaisseur de sel est importante.
Les simulations sont cette fois effectuées en
tenant compte des différentes formations environnantes et en approchant
au plus près la réalité quant à la
géométrie des cavités. L'attention se porte non seulement
sur la convergence (l'espacement et la géométrie en étant
des facteurs importants) mais encore et surtout sur les risques de
rupture.
A cet égard, bien qu'aucune unanimité des
rhéologue n'existe sur ce point, il semble qu'il ne peut pas y avoir de
rupture du sel si en tout point les contraintes principales restent
inférieures à une valeur de l'ordre de + 2,5 MPa
(résistance à la traction). Notons que les contraintes de
traction sont positives et celles de compression sont négatives (dans un
liquide au repos, les trois contraintes principales sont égales,
à la pression).
Ces exigences ne révèlent pas un
caractère décisif pour la configuration et de la profon-
deur de la cavité en elle-même. (J.
Gérard DURUP.2001).
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