BLANCHET DENIS (FR)
BEAUMONT VALERIE (FR)
HAESELER FRANK (FR)
GARCIA BRUNO (FR)
BLANCHET DENIS (FR)
BEAUMONT VALERIE (FR)
HAESELER FRANK (FR)
| WO2002024583A1 | 2002-03-28 |
| US5143155A | 1992-09-01 | |||
| US4558739A | 1985-12-17 | |||
| US20040222151A1 | 2004-11-11 |
| REVENDICATIONS
1. Procédé pour réduire des écoulements de fluides dans un milieu poreux, caractérisé en ce que : on sélectionne un processus biologique adapté d'une part, à dégrader une source de carbone pour produire des ions bicarbonates, et d'autre part, à modifier des conditions physicochimiques dudit milieu, de façon à provoquer une réaction de précipitation de carbonates ; on diminue la perméabilité dudit milieu en provoquant une réaction de précipitation de carbonates au sein dudit milieu, au moyen dudit processus biologique.
2. Procédé selon la revendication 1 , dans lequel : on analyse le milieu pour y évaluer des quantités des éléments suivants : une source de carbone, des microorganismes, des cations, des accepteurs d'électrons et nutriments ; et on injecte dans le milieu au moins un desdits éléments, de façon à optimiser la réaction de précipitation de carbonate.
3 Procédé selon la revendication 2, dans lequel on injecte dans le milieu des éléments dont la quantité limite la réaction de précipitation de carbonates, sous forme de capsule contenant lesdits éléments, et les libérant au fur et à mesure de leur dégradation sous l'effet d'une réaction chimique liée audit fluide.
4. Procédé selon l'une des revendications 2 et 3, dans lequel on sélectionne ledit processus biologique de dégradation en fonction de ladite analyse du milieu, parmi des processus biologiques de dégradation de matière organique permettant d'augmenter le pH du milieu et de produire du CO 2 .
5. Procédé selon la revendication 4, dans lequel le processus biologique fait intervenir des bactéries aérobies qui dégradent la matière organique en libérant du CO 2 et de l'eau.
6. Procédé selon la revendication 4, dans lequel le processus biologique fait intervenir des bactéries fermentaires qui dégradent la matière organique en libérant du CO 2 et du H 2 .
7. Procédé selon la revendication 6, dans lequel les bactéries fermentaires sont choisies parmi les bactéries suivantes: Sélénomonas, Clostridium et Ruminococcus.
8. Procédé selon l'une des revendications 6 et 7, dans lequel le processus biologique fait également intervenir des bactéries acétogènes pour la dégradation de la matière organique en produits intermédiaires H 2 et CO 2 .
9. Procédé selon la revendication 8, dans lequel le processus biologique fait également intervenir des bactéries méthanogènes hydrogénotrophes classées dans les "Archaea" méthanogènes, qui synthétisent du CH 4 à parti de CO 2 et H 2 .
10. Procédé selon la revendication 4, dans lequel le processus biologique fait intervenir des bactéries fermentaires et acétogènes pour la dégradation de la matière organique en produits intermédiaires, acide gras et acétate, l'acétate étant dégradé par des bactéries méthanogènes acétoclastes en CO 2 et CH 4 .
11. Procédé selon la revendication 4, dans lequel le processus biologique fait intervenir des bactéries fermentaires pour la dégradation de la matière organique en acide gras, des bactéries acétogènes hétérotrophes pour dégrader les acides gras en acétate, et des bactéries sulfato-réductrices pour biodégrader l'acétate en HS " et CO 2 et former des carbonates.
12. Procédé de stockage géologique de gaz acides, dans lequel on injecte un gaz acide dans un réservoir souterrain, et l'on remédie à des fuites de gaz du réservoir vers au moins une zone géologique surmontant ledit réservoir, en réduisant la perméabilité de ladite zone géologique au moyen du procédé selon l'une des revendications 1 à 11.
13. Procédé de colmatage d'un ciment altéré, dans lequel on injecte dans le ciment comportant des fractures les éléments nécessaires à la précipitation de carbonate par un processus biologique selon l'une des revendications 2 à 11 , ledit processus provoquant une réaction de précipitation de carbonate qui colmate lesdites fractures.
14. Procédé de traitement d'un aquifère contaminé par des polluants, dans lequel : on installe une zone réactive (ZR) contenant des agents nécessaires aux traitements des polluants ; on fore des puits d'injection (Pl) de façon à former un entonnoir (TU), selon un procédé de type « tunnel et porte », dont la sortie (PO) débouche sur la zone réactive (ZR) ; on injecte au niveau desdits puits les éléments nécessaires à la précipitation de carbonate par un processus biologique selon l'une des revendications 2 à 11.
15. Procédé pour confiner une zone d'un aquifère polluée par du CO 2 , dans lequel on limite l'évolution spatiale de ladite zone polluée, au moyen des étapes suivantes : on fore des puits d'injection (P/) autours de ladite zone polluée ; on injecte au niveau de ces puits les éléments nécessaires à la précipitation de carbonate par un processus biologique selon l'une des revendications 2 à 11. |
PROCéDé POUR RéDUIRE L'éCOULEMENT DES FLUIDES AU SEIN D'UN MILIEU POREUX AU MOYEN D'UN PROCESSUS BIOLOGIQUE.
La présente invention concerne le domaine des traitements de milieux poreux. En particulier, l'invention concerne un procédé pour réduire l'écoulement de fluides au sein d'un milieu poreux.
état de la technique
Pour réduire l'écoulement de fluides au sein d'un milieu poreux, des procédés de confinement et d'assainissement, appliqués à des lieux contaminés par des polluants, sont connus. Les procédés de confinement visent essentiellement à contenir les contaminants liquides ou les eaux souterraines, à l'intérieur des limites du lieu contaminé. Cette stratégie est également utilisée lorsqu'il y a lieu de craindre que les contaminants soient entraînés par ruissellement hors de la zone contaminée, ou lorsque d'autres voies d'exposition existent, telles que des émanations de substances volatiles en suspension.
Ces méthodes contribuent donc à l'assainissement des lieux contaminés, en prévenant la dispersion des contaminants hors de la zone touchée. L'expression « confinement in situ » signifie que les contaminants sont laissés sur place, et que les mesures de confinement sont appliquées en périphérie de la zone contaminée.
Ces méthodes peuvent être classées en deux catégories : les méthodes de confinement hydraulique (pompage, tranchées et drains), et les méthodes de confinement physique (murs de boue, rideaux par injection de coulis ou rideaux de palplanches, recouvrement de la surface). Alors que les méthodes de confinement hydraulique visent à prévenir la contamination en favorisant l'écoulement des eaux souterraines, les méthodes de confinement physique ont pour rôle d'empêcher l'écoulement des eaux souterraines hors du lieu contaminé. Les méthodes de confinement doivent être adaptées en fonction des caractéristiques de chaque lieu, et d'importants travaux de caractérisation et de modélisation doivent habituellement précéder le choix d'une méthode, afin que celle-ci réponde au mieux à la situation existante.
Le confinement in situ est donc un procédé très couramment utilisé pour contenir les contaminants et constitue souvent une solution provisoire avant l'établissement d'un plan d'assainissement global. En général, ces méthodes n'entraînent ni la destruction ni l'élimination des contaminants. Le procédé de confinement hydraulique permet toutefois
d'enlever les contaminants dissous dans les eaux souterraines. Le confinement peut également s'appliquer aux matériaux d'excavation.
L'objet de l'invention concerne un procédé alternatif pour réduire des écoulements de fluides dans un milieu poreux, par diminution de sa perméabilité, en favorisant ou provoquant une réaction de précipitation de carbonates au sein du milieu poreux, au moyen d'un processus biologique.
La méthode selon l'invention
L'objet de l'invention concerne un procédé pour réduire des écoulements de fluides dans un milieu poreux. Le procédé comporte les étapes suivantes : on sélectionne un processus biologique de dégradation d'une source de carbone tout en modifiant des conditions physicochimiques dudit milieu, de façon à provoquer une réaction de précipitation de carbonates ; on diminue la perméabilité dudit milieu en provoquant une réaction de précipitation de carbonates au sein dudit milieu, au moyen dudit processus biologique.
Selon un mode de réalisation, on analyse le milieu pour y évaluer des quantités des éléments suivants : une source de carbone, des microorganismes, des cations, des accepteurs d'électrons et nutriments ; et on injecte dans le milieu au moins un de ces éléments, de façon à optimiser la réaction de précipitation de carbonate. On peut injecter dans le milieu les éléments dont la quantité limite la réaction de précipitation de carbonates, sous forme de capsule contenant ces éléments, et les libérant au fur et à mesure de leur dégradation sous l'effet d'une réaction chimique liée aux fluides.
Selon l'invention, on peut sélectionner le processus biologique de dégradation en fonction de l'analyse du milieu, parmi des processus biologiques de dégradation de matière organique permettant d'augmenter le pH du milieu et de produire du CO 2 .
Parmi ces procédés, on peut utiliser un processus biologique faisant intervenir des bactéries aérobies qui dégradent la matière organique en libérant du CO 2 et de l'eau, ou un processus biologique faisant intervenir des bactéries fermentaires qui dégradent la matière organique en libérant du CO 2 et du H 2 . Les bactéries fermentaires peuvent être choisies parmi les bactéries suivantes: Sélénomonas, Clostridium et Ruminococcus.
On peut également utiliser un processus biologique faisant également intervenir des bactéries acétogènes pour la dégradation de la matière organique en produits intermédiaires
H 2 et CO 2 . On peut compléter par un processus biologique faisaint également intervenir des bactéries méthanogènes hydrogénotrophes classées dans les "Archaea" méthanogènes, qui synthétisent du CH 4 à parti de CO 2 et H 2 .
On peut également utiliser un processus biologique faisant intervenir des bactéries fermentaires et acétogènes pour la dégradation de la matière organique en produits intermédiaires, acide gras et acétate, l'acétate étant dégradé par des bactéries méthanogènes acétoclastes en CO 2 et CH 4 .
Enfin, on peut utiliser un processus biologique faisant intervenir des bactéries fermentaires pour la dégradation de la matière organique en acide gras, des bactéries acétogènes hétérotrophes pour dégrader les acides gras en acétate, et des bactéries sulfato-réductrices pour biodégrader l'acétate en HS " et CO 2 et former des carbonates.
L'invention concerne également un procédé de stockage géologique de gaz acides, dans lequel on réduit la perméabilité de zones géologiques au moyen du procédé de réduction des écoulements de fluides dans un milieu poreux selon l'invention.
L'invention concerne également un procédé de colmatage de ciments altérés, dans lequel on colmate des fractures desdits ciments au moyen du procédé de réduction des écoulements de fluides dans un milieu poreux selon l'invention.
L'invention concerne également un procédé de traitement d'un aquifère contaminé par des composés organiques et/ou des contaminations aux métaux lourds, dans lequel on utilise un procédé de type "tunnel et porte" afin de dégrader des contaminants dissous, et dans lequel l'entonnoir d'écoulement préférentiel est obtenu au moyen du procédé de réduction des écoulements de fluides dans un milieu poreux selon l'invention.
Enfin, l'invention concerne également un procédé de décontamination d'aquifères, dans lequel on limite l'évolution spatiale d'un panache de C02 au moyen du procédé de réduction des écoulements de fluides dans un milieu poreux selon l'invention.
D'autres caractéristiques et avantages du procédé selon l'invention, apparaîtront à la lecture de la description ci-après d'exemples non limitatifs de réalisations, en se référant aux figures annexées et décrites ci-après.
Présentation succincte des figures
Les figures 1A à 1E illustrent des exemples de processus biologiques à l'origine de précipitation de carbonates.
La figure 2 illustre le procédé de remédiation dans le cadre d'un stockage géologique de CO 2 au moyen de processus biologiques.
La figure 3 illustre le procédé de colmatage de ciments altérés au moyen de processus biologiques.
La figure 4 illustre le procédé de traitement de sols et eaux souterraines contaminés, par un système de type tunnel/porte mis en oeuvre au moyen de processus biologiques.
Les figures 5A à 5D illustrent le procédé pour confiner une zone de pollution d'un aquifère par du CO 2 , au moyen de processus biologiques.
Description détaillée du procédé
Le procédé selon l'invention permet de réduire des écoulements de fluides dans un milieu poreux. Ce procédé est décrit dans le cadre d'un procédé de stockage géologique de gaz acides.
Lors d'un stockage géologique de gaz acide, tel que le CO 2 , il est nécessaire de s'assurer que le réservoir souterrain (milieu poreux) dans lequel on injecte le gaz est bien étanche. Cependant, il peut arriver que du gaz parvienne à s'échapper de ce réservoir naturel. Pour remédier à ses fuites, différentes techniques, dites techniques de « remédiation », ont été mises au point par les opérateurs.
Selon l'invention, on remédie à ses fuites en mettant en oeuvre un procédé de réduction des écoulements de fluides dans une zone géologique (milieu poreux) surmontant le réservoir souterrain. En limitant ainsi l'écoulement du gaz, on neutralise les fuites de gaz acide issus du réservoir poreux.
Pour ce faire, on diminue la perméabilité du milieu poreux en favorisant ou en provoquant une réaction de précipitation de carbonates (XCO 3 ) au sein du milieu, au moyen d'un processus biologique. En effet, il est connu que les carbonates constituent des barrières imperméables aux fluides.
La carbonatation biologique permet donc la réduction d'écoulement de fluides au sein de structures du type couverture étanche pour le stockage de gaz acides. Ce processus de carbonatation est un processus systématiquement observé et mentionné dans le document suivant par exemple : Zhong, Lirong, Islam, M. R., 1995, « A New Microbial Plugging
Process and Its Impact on Fracture Remediation. », SPE Annual Technical Conférence and Exhibition, 22-25 October 1995, Dallas, Texas. Society of Petroleum Engineers, Inc, Paper Number 30519. Cette action bactérienne concourre au bouchage de la porosité du milieu dans les réservoirs pétroliers souvent en association avec une action de colmatage par des corps bactériens (biomasse). Ce colmatage par des corps bactériens est également décrit dans le brevet US 4 558 739.
La précipitation des minéraux est un phénomène naturellement existant, elle peut intervenir comme une conséquence indirecte de changement de conditions géochimiques lié à un développement bactérien. Le brevet 5 143 155, par exemple, décrit un procédé pour réduire la perméabilité d'une formation géologique souterraine au moyen d'une précipitation minérale. Cette précipitation est obtenue en fournissant à la formation une culture de microorganisme qui modifie les conditions de solubilité du milieu, et ainsi, favorise la précipitation de minéraux.
Ce phénomène peut être grandement favorisé par l'injection à la fois de sources de carbone biodégradables et de solutions minérales adaptées à la fojs à la croissance et à l'amplification du processus de précipitation dans le milieu poreux ciblé.
La figure 2 illustre un cas de stockage géologique de CO 2 au sein d'un aquifère [AQU) et sous une couverture sédimentaire (COUV). On injecte (INJ) le CO 2 dans l'acquière (AQU) qui s'étend latéralement. Pour limiter l'écoulement de gaz dû aux conditions hydrogéologiques, un confinement carbonate (CC) au moyen d'un processus biologique est réalisé, en injectant (InjPB) des composés nécessaires à la précipitation de carbonates.
Un exemple de carbonate est le carbonate de calcium (CaCO 3 ). La réaction de précipitation de carbonates de calcium s'écrit :
Ca 2+ + HCO 3 - + OH " <→ CaCO 3 + H 2 O
De façon plus générale, pour provoquer une précipitation de carbonate il faut : au moins une source de carbone inorganique si l'on considère uniquement la réaction chimique de précipitation de carbonates, et une source de carbone organique pour assurer l'activité biologique qui, en anaérobiose, va produire le CO 2 comme métabolisme terminal, pouvant être par la suite réintégré dans une réaction de précipitation de carbonates. des cations (Ca, Mg, Fe) ;
des conditions physicochimiques appropriées (concentration, pH, équilibre chimique...). L'activité biologique doit aider à obtenir ces conditions physicochimiques appropriées en rendant le pH plus basique au sein du système considéré
Selon l'invention, on utilise un processus biologique dans lequel des micro-organismes génèrent des conditions physicochimiques (concentration, pH, équilibre chimique...) favorables à la précipitation de carbonates. L'efficacité du processus biologique est augmentée par l'addition de diverses sources de carbone organique. La production de biomasse et de métabolites terminaux en anaérobie (notamment CO 2 et CH 4 ) est ainsi augmentée. L'addition de cations est également essentielle.
Les cations :
Les cations interviennent dans la réaction de carbonatation :
Ca 2+ + HCO 3 - + OH- <→ CaCO 3 + H 2 O
On peut ajouter donc du calcium, mais aussi du fer ou du magnésium, sous forme d'une solution aqueuse contenant ces cations.
La source de carbone :
Selon l'invention, on utilise une source de carbone (organique) présente dans le milieu, telle que des hydrocarbures, ou on injecte une source de carbone (urée par exemple). Cette source de carbone va dynamiser une microflore présente dans la zone visée par l'étanchéité et le renforcement de la bio-barrière.
Selon l'invention, on utilise alors des bactéries pour biodégrader cette source de carbone, de façon à produire des métabolites carbonates tels que le CO 2 qui peut intervenir ensuite dans une réaction de carbonatation.
En effet, selon l'exemple du CO 2 , le CO 2 réagit avec l'eau pour donner un ion bicarbonate pour un proton selon la réaction :
CO 2 + H 2 O ~ H + + HCO 3 -
Cet ion bicarbonate (HCO 3 " ) intervient directement dans la réaction de carbonatation :
Ca 2+ + HCO 3 " + OH ' <→ CaCO 3 + H 2 O
Les conditions phvsicochimiαues :
Les réactions ci-dessus sont des équilibres. Les « conditions physicochimiques favorables » sont donc les conditions qui déplacent les équilibres dans le sens d'une carbonatation. Ces conditions concernent en particulier :
- la concentration des différentes espèces ioniques qui concourrent à la production de la formation de sels de carbonates : l'augmentation de la concentration en CO 2 (métabolite terminal des différents métabolismes successifs de biodégradation de la matière organique en condition anaérobie) favorise la production d'ions bicarbonates (HCO 3 " ). Une augmentation de la concentration en cation du type Ca 2+ , Mg 2+ etc, va favoriser, de pair avec l'augmentation de CO 2 dans la matrice poreuse, les conditions physico-chimique favorables à l'augmentation de l'indice de saturation (et donc favoriser la précipitation du minéral), par exemple de celui de la calcite, qui s'exprime ainsi :
Slcaldte≈ lθg(Ca 2+ XCO 3 2 -)/Kcalcite
- le pH du milieu : étant donné les conditions de concentration nécessaires, on constate que le milieu doit être basique. En effet, une augmentation de pH a pour conséquence de favoriser une précipitation du carbonate de calcium. La précipitation de calcium (CaCO 3 ) s'observe en condition abiotique à partir de pH 9,5, alors qu'en condition biotique, elle s'observe plus précocement pour une valeur de pH égale 8,5. Un pH favorable est obtenu grâce au métabolisme des bactéries.
Le processus biologique lié à ces bactéries combine donc avantageusement l'augmentation de CO 2 et l'augmentation de pH dans la matrice poreuse. Dans ces conditions on assiste à la formation de carbonates (XCO 3 ).
Les processus biologiques sont donc caractérisés par une aptitude à dégrader une source de carbone organique en ion bicarbonate (HCO 3 " ), et à modifier les conditions physicochimiques de leur environnement de façon à favoriser la formation de carbonate, par déplacement des équilibres chimiques impliqués.
Cette synthèse de carbonates peut s'effectuer à partir de différents processus biologiques, impliquant des métabolismes et des espèces différentes de microorganismes.
La présence considérable de microorganismes bactériens dans les systèmes pétroliers enfouis a été mise en évidence : Bernard FP et al., 1992, "Indigenous microorganisms in connate water of many oil fields: a new tool in exploration and production techniques." In: SPE 24811 , Proceedings of the Society of Petroleum Engineers, Vol.2, pp. 467-476,
Richardson, Texas. De même, la dégradation anaérobie des hydrocarbures saturés, en particuliers des n-alcanes, et d'aromatiques a été mise en évidence.
Des exemples de processus biologiques à l'origine de précipitations de carbonates sont présentés ci-après. Ils concourent à la biodégradation de matière organique, avec production de deux grands métabolites que sont le méthane et le CO 2 , le CO 2 interagissant avec la matrice pour produire des carbonates.
Le premier processus biologique, présenté sur le schéma de la figure 1A, est un mécanisme aérobie. Il fait intervenir des bactéries aérobies (BactA) qui dégradent la matière organique (MO) en libérant du CO 2 et de l'eau (H 2 O). A partir du CO 2 formé et de cations X + , tels que Ca 2+ , des carbonates (XCO 3 ) peuvent être formés en fonction des conditions physico-chimiques du milieu (concentration, pH, équilibre chimique...). Ce mécanisme nécessite l'apport d'oxygène soit par la phase gazeuse en zone insaturée du milieu poreux, soit par le biais de l'oxygène dissous dans l'eau en zone saturée.
Un autre processus biologique, présenté sur le schéma de la figure 1 B, fait intervenir des bactéries fermentaires (BactF) telles que Sélénomonas, Clostridium, Ruminococcus... Ces bactéries dégradent la matière organique (présente soit initialement dans le milieu, soit apportée dans le cadre du procédé selon l'invention) en H 2 et CO 2 . La précipitation de carbonates est alors possible par la présence d'exopolysaccharides (EPS) présents à la surface des bactéries. Ce mécanisme est souvent intermédiaire dans la dégradation de la matière organique et est associé aux autres processus décrits ci après.
Un troisième processus biologique, présenté sur le schéma de la figure 1C, fait intervenir des bactéries fermentaires (BactF) et acétogènes (BactAc) pour la dégradation de la matière organique en produit intermédiaires H 2 + CO 2 . Selon ce processus, ces produits sont utilisés par des bactéries méthanogènes hydrogénotrophes (BactMH) classées dans les "Archaea" méthanogènes. En effet, le métabolisme de départ est le même que celui détaillé précédemment (schéma de la figure 1B), mais ensuite, à partir de I 1 H 2 et du CO 2 , le métabolisme des bactéries méthanogènes hydrogénotrophes (utilisant le CO 2 ) entrent en jeu et permet la synthèse de CH 4 par les bactéries méthanogènes hydrogénotrophes. Dans ce cas, les bactéries acétogènes servent à générer l'hydrogène nécessaire aux bactéries méthanogènes autotrophes. L'hydrogène peut constituer une source d'énergie importante, permettant même la survie des micro-organismes à long terme. A ce titre il peut également être d'origine non bactérienne. Différents processus biologiques et géochimiques peuvent générer de l'hydrogène en profondeur : dégradation thermique ou biologique (fermentation) de la matière organique, réaction entre les gaz dissous dans le système C-H-O-S des magmas, décomposition du méthane en carbone (graphite) et H 2 à des températures
supérieures à 600 0 C, réaction entre CO 2 , H 2 O et CH 4 à des températures élevées, radiolyse de l'eau par des isotopes radioactifs de l'uranium, du thorium et du potassium, cataclase des silicates ferromagnésiens sous contrainte en présence d'eau, serpentinisation, formation de pyrite, ...
Un autre processus biologique, présenté sur le schéma de la figure 1 D, fait à nouveau intervenir des bactéries fermentaires (BactF) et acétogènes « syntrophes » {BactAcS) pour la dégradation de la matière organique en produits intermédiaires (acide gras (AG) et acétate (AC)). L'acétate est dégradé par les bactéries méthanogènes acétoclastes (BactMAc) en CO 2 +CH 4 .
Un dernier processus biologique, présenté sur le schéma de la figure 1E, fait à nouveau intervenir des bactéries fermentaires (BactF) pour la dégradation de la matière organique en acide gras (AG), mais également des bactéries acétogènes hétérotrophes(SacfcAcH) pour dégrader les acides gras (AG) en acétate (AC). Des bactéries sulfato-réductrices (BactSR) biodégradent alors l'acétate en HS " et CO 2 et forment des carbonates. La plupart des souches bactériennes sulfato-réductrices peuvent utiliser le lactate, le formiate ou l'hydrogène comme donneurs d'électrons. Une majorité peut également se développer en présence de pyruvate, de malate, de fumarate ou d'alcools (éthanol, propanol).
Selon un mode de mise en œuvre, le procédé pour favoriser la réaction de précipitation de carbonates dans un milieu poreux comporte les étapes suivantes : on analyse le milieu pour estimer les quantités des éléments suivants : source de carbone, microorganismes, cations, accepteurs d'électrons et nutriments ; on sélectionne, en fonction de l'analyse du milieu, un processus biologique de dégradation de matière organique permettant d'augmenter le pH du milieu et de produire du CO 2 , favorisant ainsi une réaction de précipitation de carbonates ; on détermine parmi ces éléments ceux dont la quantité limite la réaction de précipitation de carbonates ; on injecte dans le milieu ces éléments limitants, de façon à favoriser la réaction de précipitation de carbonate.
Analyse du milieu poreux
La synthèse de carbonates peut s'effectuer par différents processus biologiques impliquant des métabolismes et des familles différentes de microorganismes. L'application de ces processus biologiques tient compte des conditions environnementales du milieu dans lequel cette réduction de porosité est recherchée.
En premier lieu, on analyse donc le milieu afin de déterminer les conditions environnementales de celui-ci, afin de définir le processus biologique le mieux adapté au milieu. Pour ce faire, on estime les quantités des éléments suivants : source de carbone (hydrocarbures, source de carbone solubles dans l'eau), la présence de microorganismes, des cations (Ca 2+ , Mg 2+ , Fe 2+ ), des accepteurs d'électrons (l'eau est l'accepteur terminal d'électrons pour le métabolisme ultime de la dégradation de la biomasse en méthanogénèse, mais la présence d'accepteurs d'électrons comme les sulfates peuvent favoriser la production de l'activité de sulfato-réduction formant du CO 2 ,) et nutriments pour les microorganismes (la vitesse du métabolisme est également fonction des micronutriments qui vont servir à synthétiser le niveau de biomasse, donc l'intensité du processus global de biodégradation et donc de production de CO 2 ).
Sélection d'un processus biologique
Une fois les conditions environnementales du milieu connues, on peut sélectionner le processus biologique le mieux adapté au milieu. Si aucun microorganisme n'est présent, on choisira les microorganismes à utiliser en fonction de la source de carbone, des nutriments, ... En revanche, si une colonie de microorganismes est déjà présente, on favorisera, en général, ce processus biologique.
Détermination d'éléments limitants la réaction de précipitation de carbonate
En fonction du processus biologique retenu, on détermine les éléments intervenant dans la précipitation de carbonate qui sont en quantité limitante. Par exemple, si l'on constate qu'il y a suffisamment de microorganismes, mais qu'ils manquent de nutriments pour obtenir un métabolisme optimal, alors on considère les nutriments comme éléments limitants. Il peut également s'agir des cations : si les bactéries ont suffisamment d'hydrocarbure à biodégrader, mais si le carbone libéré ne précipite pas de carbonates par manque de cations, alors ces derniers seront considérés comme éléments limitants.
Ainsi, les éléments pouvant limiter la réaction de précipitation de carbonates, du fait qu'ils ne sont pas présents ou bien présents en quantités limitantes, peuvent être : les micro-organismes (éventuellement sous forme de spores)
- les cations (Ca 2+ , Mg 2+ , Fe 2+ ) la (ou les) source(s) de carbone les accepteurs d'électrons les micro et macro-nutriments
Injection dans le milieu des éléments limitants
La stimulation du processus biologique choisi peut nécessiter l'injection, dans le milieu poreux en question, des éléments limitants. Il s'agit de fournir ces éléments pour amplifier les processus biologiques retenus, et donc aboutir à un phénomène de précipitation des carbonates lui aussi amplifié.
Les éléments pouvant être apportés dans le milieu afin de favoriser la réaction de précipitation de carbonates sont décrits peuvent être : les micro-organismes (éventuellement sous forme de spores)
- les cations (Ca 2+ , Mg 2+ , Fe 2+ ) la (ou les) source(s) de carbone les accepteurs d'électrons les micro et macro-nutriments
L'apport de ces éléments peut être envisagé soit initialement (dès le début de l'injection), soit de manière contrôlée, sous forme de capsules. Ces capsules injectées de façon préventive, libère les éléments limitants qu'elles contiennent au fur et à mesure de leur dégradation, ou sous l'effet d'une réaction chimique particulière, lié au fluide dont on souhaite réduire l'écoulement.
Dans le cadre de stockage géologique de gaz acide, du CO 2 par exemple, si une fuite est détectée, on peut injecter des bactéries, une solution riche en cation (calcium) et une source de carbone (matière organique, telle que des hydrocarbures par exemple), de façon à provoquer la précipitation de carbonate au niveau de la fuite, colmatant ainsi le site de stockage. Cette opération de remédiation est un procédé rapide à mettre en place, très localisé et facile à mettre en œuvre.
Exemple de réalisation
Une souche de Bacillus pasteυrii a été utilisée pour promouvoir efficacement la précipitation de carbonates de calcium (CaCO 3 ), au sein d'un milieu poreux.
Des essais préliminaires de précipitation de carbonates de calcium (CaCO 3 ) ont été mis en oeuvre en culture en batch, en apportant outre les micronutriments, l'urée comme source de carbone, le CaCI 2 comme source de calcium, et le NaHCO 3 comme source de carbonates. L'utilisation de l'urée comme source de carbone permet une élévation du pH du milieu lors de sa dégradation. Ces milieux ne sont pas tamponnés au départ des. essais. Cette augmentation de pH a pour conséquence de favoriser une précipitation du carbonate de calcium. La précipitation de calcium (CaCO 3 ) s'observe en condition abiotique à partir de pH 9,5, alors qu'en condition biotique, elle s'observe plus précocement pour une valeur de pH égale 8,5.
Ca 2+ + HCO 3 - + OH ' <→ CaCO 3 + H 2 O
II est essentiel d'ajuster la concentration en urée pour assurer dans le milieu, une évolution de pH permettant d'atteindre au moins des valeurs de l'ordre de 8,2-8,5. Ces concentrations en urée ont été déterminées. A partir de concentration de l'ordre de 1 % en urée, on peut atteindre ces valeurs de pH.
Un développement a été mené en colonne de milieu poreux avec du sable de granulométrie 45/60 μm. Le milieu poreux mis en place est colonisé progressivement par la biomasse en balayant la colonne par une solution contenant de l'urée (source d'azote et source de carbone). La solution de microorganisme a été mise place au moment de Ia création du milieu poreux saturé par une solution de milieu de culture de Bacillus pasteurii. Ensuite, dans un deuxième temps, après le développement d'une biomasse suffisante sur le milieu poreux, on injecte une solution modifiée contenant à la fois la source d'azote, la source de CaCI 2 comme source de calcium, et le NaHCO 3 comme source de carbonates, dans le but d'accélérer expérimentalement le processus de saturation en CO 2 dans le milieu poreux de la carotte; processus qui pourrait être fait par une activité biologique anaérobie (voir les différents schémas ci avant). On observe, avec la durée de l'essai pour un balayage de la colonne de milieu poreux, avec ce second milieu minéral et organique, une réduction de la vitesse de balayage pour une valeur de surpression du réservoir imposé. Cette réduction de vitesse est due au processus de colmatage par la biomasse et au processus de précipitation de carbonate de calcium que l'on a pu mette en évidence par une analyse du milieu.
On peut donc injecter dans un milieu poreux naturel, une solution de nutriments de composition chimique équivalente à : urée + NH 4 CI + CaCI 2 + NaHCO 3 (les deux dernières
espèces chimiques étant des espèces amenant respectivement le Ca 2+ et le CO 3 2' , pouvant être amenés de manière indirecte dans un milieu naturel (altération de silicates calciques par exemple pour la production de calcium)) en présence ou non de microorganismes pour permettre un processus de basification par assimilation de l'urée, et donc de carbonatation chimique assistée par voie biologique, permettant donc un colmatage de la porosité/perméabilité du milieu. La composition de la solution peut être la suivante :
• urée (1% volume) + NH 4 CI (1% volume) + CaCI 2 (0,3% volume) + NaHCO 3 (0,2% volume)
• Microorganismes : 10 9 bact/ml
Applications
Le procédé selon l'invention, pour réduire des écoulements de fluides dans un milieu poreux a été décrit dans le cadre de stockage géologique de gaz acide, pour confiner une fuite de gaz ou pour réduire la perméabilité et/ou la porosité de certaines zones de l'aquifère de stockage. Ce procédé peut également être appliqué dans les cadres suivants :
Procédé colmatage de ciments altérés
Dans le cadre de l'activité pétrolière et/ou de l'activité de stockage de gaz (acides ou gaz naturels), on utilise des ciments (Cim) au niveau de puits de production ou d'injection. Ces ciments sont sujet à de nombreuses contraintes et finissent par se fissurer. Les fluides (huile, gaz) peuvent alors s'écouler à travers ce ciment. On utilise alors le procédé de l'invention pour limiter ces écoulements en colmatant les fractures du ciment altéré. Ce colmatage se fait par injection des éléments limitants. La figure 3 illustre ce procédé de colmatage des ciments altérés (OmAIf). A gauche, un ciment {Cim) non altéré est schématisé. Au centre, le ciment est altéré (CimAlt) par des fractures. A droite, le ciment est récupéré (CimRec) : des carbonates (XCO 3 ) recouvrent et bouchent les fractures.
Selon un mode de réalisation, on incorpore dans le ciment des capsules contenant tous les éléments nécessaires à la précipitation de carbonates. Ces capsules se dégradent au contact du fluide dont on souhaite limiter l'écoulement. Par exemple, on regroupe des microorganismes sous forme de spores, des nutriments, des cations, ... dans une capsule dont la membrane externe a la propriété de se dégrader lorsque au moment opportun, c'est à dire lorsque les conditions de précipitation de carbonates sont favorables. En effet, par exemple, au contact du CO 2 , issue d'une fuite d'un site géologique de stockage, cette membrane est détruite, libérant tous les éléments nécessaires à une réaction de précipitation de carbonates.
Procédé de traitement de sols et eaux souterraines contaminés
Dans l'objectif de traiter des sols et eaux souterraines contaminés par des composés organiques et/ou des contaminations aux métaux lourds, on utilise un procédé de type "tunnel et porte". Ce procédé permet de dégrader des contaminants dissous. Il consiste à modifier les flux d'écoulement de la nappe aquifère sous forme d'un entonnoir d'écoulement préférentiel dans des terrains de drainage : des barrières réactives sont utilisées afin de traiter des variétés de composés organiques et des contaminations aux métaux lourds en utilisant principalement des milieux réactifs chimiquement ou des composés biologiques.
Le système "tunnel et porte" est une méthode de remédiation passive qui utilise des tunnels (entonnoirs) afin de modifier les flux d'écoulement de la nappe aquifère. Le système doit être installé à une profondeur d'au moins 15 à 20 mètres, avec une profondeur d'au moins 5 mètres en dessous de roches denses. Ce système peut être installé soit en tête du panache pour prévenir toute croissance de celui-ci, soit à la queue du panache pour prévenir tout échappement de contaminants. Ce système est schématisé, selon une vue du dessus, sur la figure 4 : le tunnel ("funnel"), non perméable, permet l'écoulement du fluide à travers une porte ("gâte") qui elle, est perméable et contient des agents réactifs, tels que des granules de fer. Lors du flux du panache et des eaux contaminées à travers cette porte, les solvants chlorés sont transformés en composés non toxiques. Les produits contaminés sont détruits ou dégradés en produits non toxiques qui, par la suite, sont naturellement réduits par des bactéries. L'avantage de ce système réside au fait qu'il est effectif sans système de pompage et sans excavation.
La figure 4 illustre le procédé mis en œuvre selon l'invention. Cette figure représente, une vue de dessus de sols et eaux souterraines contaminés. Un fluide, de l'eau sur la figure 4, circule en drainant des polluants. Pour traiter cette eau, et éliminer les polluants Le procédé selon l'invention comporte alors les étapes suivantes : on installe une zone réactive (ZR) contenant les agents nécessaires aux traitements des polluants ; on fore des puits d'injection (P/) de façon à former un entonnoir (TU) dont la sortie (PO) débouche sur la zone réactive (ZR) ; au temps tO, on injecte au niveau de ces puits les éléments nécessaires à la précipitation de carbonate par un processus biologique.
Au temps t1 , les environs des puits sont carbonates, rendant la zone imperméable (ZIC).
Procédé de décontamination d'aαuifères
Le procédé selon l'invention peut être également utilisé dans le cadre de décontamination d'aquifères, en limitant l'évolution spatiale d'un panache de CO 2 au moyen des processus biologiques.
Ce procédé consiste à forer des puits d'injection (Pl) de façon à délimiter une zone de confinement. Puis, on injecte via ses puits les éléments nécessaires au processus biologique pour qu'il y ait précipitation de carbonates.
La figure 5 illustre le procédé pour confiner une zone de pollution d'un aquifère par du CO 2 . La figure 5A illustre la situation à un temps tO. La figure 5C représente le même schéma vu de dessus. Au temps tO, le panache de pollution (PP) s'étend avec l'écoulement de l'eau (H20). On fore alors des puits d'injection (Pl) autours du corps d'imprégnation (C/ - hachuré sur les figures 5A à 5D) à l'origine du panache de pollution. Ce corps d'imprégnation se retrouve alors positionné entouré de puits (Pl), comme l'illustre la figure 5C. Au niveau des puits d'injection, on applique le procédé selon l'invention pour favoriser la carbonatation. La figure 5B illustre la situation à un temps ultérieur t1. La figure 5D représente le même schéma vu de dessus. Au temps t1 , le panache de pollution (PP) est stoppé par la barrière de carbonate (PC), formé au niveau et autours des puits d'injection.
Ce procédé de confinement est un procédé adaptable à toutes profondeurs (zone non- saturée et zone saturée). Il permet de confiner une pollution à des profondeurs plus importantes que les systèmes de palplanches. Il permet également de traiter tout type de pollution, même pour les solvants chlorés, tout en permettant un confinement propre du corps d'imprégnation et du panache de pollution, et non pas en le détournant simplement comme le système "Hydraufaraday", connu des spécialistes.
Le procédé, selon l'invention, de confinement d'aquifères dans le cadre du stockage géologique des gaz acides est un procédé rapide à mettre en place, très localisé et facile à mettre en oeuvre. Il permet de séparer l'eau de l'huile, en permettant l'écoulement de l'eau tout en retenant l'huile, avec donc, pour conséquence, de n'avoir aucun impact sur l'eau et sur l'air du sol de la zone non-saturée qui suit la zone d'écoulement se situant à la suite de ce procédé.
Next Patent: ANTI-TRAP DEVICE FOR DOOR FRAME