ingénierie du stockage souterrain de gaz naturel
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Ingénierie du stockage souterrain de Gaz Naturel
Jacques GRAPPE, GEOSTOCK
1. Généralités2. Les principales composantes d’un stockage souterrain3. Le stockage de gaz naturel en cavités salines4. Le stockage de gaz naturel en milieu poreux5. Les axes d’innovation
Ingénierie du stockage souterrain de gaz naturel: aujourd’hui et demain
Une technologie déjà ancienne (le premier stockage de gaz naturel fêtera son centenaire en 2015)…mais toujours d’actualité et en développement permanent.
Une précondition essentielle: un contexte géologique favorable
Des ouvrages aux fonctionnalités multiples, dont le rôle principal est l’ajustement de l’offre et de la demande:- Stockages stratégiques- Stockages saisonniers- Stockages d’écrêtage de pointes de consommation- Outil d’optimisation de la gestion du réseau- Outil de trading et de contrepartie physique d’échanges virtuels- Stockages-tamponCes utilisations peuvent se combiner et un même stockage remplir plusieurs fonctions…
Le stockage souterrain de gaz naturel: un maillon-clé de la chaîne gazière
Capacité • Gaz total = gaz utile + gaz coussin• Gaz utile : 50 mcm à 10 bcm (Severo-Stavropolskoye (Russie): 60
bcm de gaz total dont 24bcm de gaz utile et 36 bcm de gaz coussin)• Gaz coussin: volume minimum de gaz nécessaire pour produire le
gaz utile selon la courbe de production nominale de l’ouvrage (typiquement de 30 à 70% du gaz total). Récupérable partiellement en fin d’exploitation
Débits:• Production: généralement les plus élevés possibles• Injection: souvent plus faibles que les débits d’émission
Duration:• Gaz Utile / déliverabilité moyenne. En moyenne de 60 à 120 jours
Capacité de cyclage:• Attribut caractérisant la flexibilité. De plus en plus recherchée
Quelques définitions…
Les stockages de gaz naturel sont de gros projets d’infrastructure (CAPEX typiques: 100 M€ à 1000 M€ +), développés sur des durées longues (typiquement de 5 à 15 ans)
Pour des projets neufs, développement par phases successives depuis la préfaisabilité jusqu’à la mise en service avec des jalons de décision à l’issue de chaque phase. Les volets liés au financement et à l’obtention des autorisations conduisent à de fortes incertitudes sur le planning.
Des extensions d’installations existantes sont souvent possibles et privilégiées par les Opérateurs en raison de leur moindre exposition au risque…
Séquence type de développement d’un stockage souterrain
Un historique de forte croissance…
Source: CEDIGAZ 2013
…et des perspectives solides
688 stockages souterrains de gaz naturel en 2013.
Un volume utile cumulé de 377 bcm (13,1% de la consommation mondiale 2012), une capacité d’émission cumulée de 6,8 bcm/d, un ratio volume utile/émission de 55,5 jours de production…et en France: 15 stockages et 13 bcm de capacité utile.
Concentration dans les grandes régions gazières ‘’historiques’’ avec forte variabilité des caractéristiques selon les régions.
Un déséquilibre de la répartition géographique…
Région Nombre688
% Gaz Utile (bcm)
377bcm
% Cap. émission (mcm/d)
6800mcm/d
(%)
Am. du Nord (USA, Can.)
USA: 414Can. : 59
69% 152 40% 3540 52%
Europe 144 21% 100 26 1970 29%
CIS 51 7,5% 115 31% 1155 17%
Asie-Océanie 18 2,5% 9,5 2% 135 2%
Source: CEDIGAZP.m. Amérique du Sud: 1 site, Iran: 2 sites
- Amérique du Nord: beaucoup de stockages vieillissants. Un ralentissement des projets neufs. L’essor des hydrocarbures non conventionnels conduit à un gaz abondant, à un niveau de prix bas et stable. Peut être un besoin à terme de nouveaux stockages à l’amont de futures unités d’export de GNL?
- Europe: un marché actuellement atone. Pas de ‘’spread’’ été/hiver, des coûts du gaz élevés et un gel des investissements
- CIS: un programme à long terme d’extension et de rénovation des stockages et quelques nouveaux projets pour garantir les exportations. Une stratégie de développement de stockages (ou de prise de participation) aux portes des marchés européens
- Asie: LA zone de croissance malgré des prix du gaz élevés. Un développement rapide de la consommation et des infrastructures d’importation et de transport. Un pays phare, la Chine, avec des projets de stockages de gaz naturel ambitieux…(0 en 2000; de 5 à 10 bcm en 2013; 70 bcm annoncés à l’horizon 2030) malgré une géologie complexe
…que l’on retrouve au niveau des zones de croissance
1. Généralités
2. Les principales composantes d’un stockage souterrain3. Le stockage de gaz naturel en milieu poreux4. Le stockage de gaz naturel en cavités salines5. Les axes d’innovation
Ingénierie du stockage souterrain de gaz naturel: aujourd’hui et demain
3 éléments principaux:
- Les installations de surface- Les puits- Le réservoir
La géologie dicte la localisation et la faisabilité de l’ouvrage
Les projets font appel à des équipes et à des compétences pluridisciplinaire: les différentes composantes de l’ouvrage doivent être cohérentes entre elles
Les principales composantes d’un stockage souterrain
Principales fonctions et équipements:
- A l’injection, réceptionner le gaz et le transférer dans le réservoir :- Comptage- Compression
- A l’émission, transférer la gaz stocké vers le réseau de transport ou de distribution en assurant sa conformité avec les spécifications:
- Installations de traitement du gaz- Séparation en tête de puits- Réchauffage/détente- Déshydratation (déshuilage le cas échéant)- Désulfuration le cas échéant
- Comptage- Éventuellement re-compression
- Autres installations: injection méthanol, salle de contrôle, détection gaz, lutte anti-incendie, laboratoire, bâtiments, ateliers etc…
Les installations de surface
Les installations de surface
Les installations de surface
Les installations de surface
Puits d’exploitation:- Conçus, réalisés et équipés selon les techniques de l’E&P- Le dimensionnement permet d’assurer des débits élevés et de
prendre en compte les cycles injection/production- Un impératif majeur: sécurité et fiabilité, d’autant que la plupart des
stockages sont onshore, à proximité de zones habitées
Pour les stockages en milieu poreux: - Réalisation d’un réseau de puits d’observation et de contrôle
participant au suivi du site.
Les puits
Les puits: forage
Les puits: forage
Les puits
Les puits
Les puits
Le ‘’réservoir’’ souterrain
Champs déplétés& AquifèresCavités salines
Gaz naturel
Hydrocarbures liquides
Hydrocarbures liquéfiés
Air comprimé
Hydrogène
Gaz naturel
Air comprimé
CO2
Cycles d’injection / production par compression / décompression volumétrique du gaz stocké dans la cavité
Mécanismes d’injection / production et comportement du réservoir analogues à ceux des gisements.
Profondeur type: - 300 à 1800 m pour les cavités salines- 300 à 4000 m voire davantage pour les milieux poreux
Réservoirs (gisements et aquifères)- Un volume utile généralement important: 100 à 10 000 Mm 3
(gaz coussin typiquement de 30 à 70% du gaz total)- Cycle d’exploitation: injection 100 à 200 jours; production 50 à
150 jours
Cavités salines- Gaz utile de 15 à 150 Mm 3 par caverne (moindre pourcentage
de gaz coussin que pour les stockages en milieu poreux)- Grande modularité: champs de cavités avec de 1 à 40+ cavités- Grande flexibilité: cycle injection / soutirage entre 10 et 20 jours
Caractéristiques-types
Répartition par type (source CEDIGAZ)
Dans les pays à économie gazière émergente, les stockages massifs, stratégiques en milieux poreux (souvent positionnés sur les gazoducs ou à proximité des centres de consommation) sont la priorité Dans les économies gazières matures, les marchés valorisent la flexibilité et favorisent le développement des cavités salines
A l’échelle mondiale:
Les stockages en réservoir (594 sites; env. 85% des sites) sont très largement majoritaires et représentent 93% du volume utile et 78% du débit d’émission:
- Gisements déplétés prédominants: 509 sites (74%) - Aquifères 85 sites (12%)
Les stockages en cavités salines sont moins nombreux (94 sites; env. 15% des sites mais 30% des 144 sites Européens) et représentent 7% du volume utile pour 22% de la capacité d’émission
1. Généralités
2. Les principales composantes d’un stockage souterrain3. Le stockage de gaz naturel en cavités salines 4. Le stockage de gaz naturel en milieu poreux 5. Les axes d’innovation
Ingénierie du stockage souterrain de gaz naturel: aujourd’hui et demain
Carottes de sel…
Effets de la dissolution (en laboratoire)
Carotte de sel pur, homogène. Minéraux insolubles dispersés
Carotte de sel avec intercalations de bancs de minéraux peu solubles
Création des cavités par ‘’lessivage’’ du sel
Dissolution: 8m3 d’eau pour 1m3 de sel
Un dispositif de tubages concentriques
Evolution d’une cavité en cours de création
Cavité saline: dimensions-type
Site de stockage en cavité saline
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Coupe schématique d’un stockage en milieu poreux
Caractérisation • De la structure (piège)• Du réservoir• De la couverture
Par rapport aux techniques de production• Des débits beaucoup plus important: dans le cas d’un gisement converti, on
cycle sur un an le volume de gaz produit pendant de nombreuses années• On injecte le gaz stocké avant de le produire…
• Pression maximum• Problèmes de mélange• Efforts dans les complétions sous l’effet du cyclage thermique• Hysteresis
• On essaie autant que possible de convertir des réservoirs ‘’simples’’, homogènes, à bonne perméabilité et porosité, sans contaminants, etc… mais on n’a pas toujours le choix!
• Et pour les aquifères, il faut en plus démontrer l’étanchéité de la couverture, mettre le gaz en place, et on ne dispose pas d’un historique de production…
Ces particularités et le fait que les stockages soient localisés le plus souvent onshore dans des zones peuplées entraînent des besoins particulier de monitoring.
Des techniques voisines de celle de l’E&P
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Ingénierie du stockage souterrain de gaz naturel: aujourd’hui et demain
Les meilleurs sites sont déjà occupés…et les contraintes vont croissantes
DES EXIGENCES CROISSANTES
EN MATIERE DE QHSE
STOCKAGE D’ENERGIE
Macondo
Elgin Franklin
HC non conventionnels
Complexité Technique
Evolution rapide des marchés
Acceptation par le Public, Contexte règlementaire
Renouvelables
Intermittentes
Sécurité d’approvisionnement
COMPLEXITE CROISSANTE
Stockage de gaz naturel offshore
Innovation dans la technologie des installations gaz• compresseurs (paliers magnétiques)• sécheurs (tamis moléculaires, gel de silice etc..)• Comptage
Amélioration de l’efficacité des systèmes• Passage rapide de injection/production et vice versa• Couplage fond surface (optimisation consommation d’énergie)• Gestion intégrée des réseaux, connection avec les plates-formes de trading• WIMS, analyse du cycle de vie
Amélioration de la sécurité et réduction de l’empreinte environnementale• Réduction des émissions• Forages en cluster• Généralisation des Vannes de fond de sécurité• Monitoring• Training
Amélioration de la communication et de l’acceptabilité sociale
Quelques thèmes d’actualité …
• Chaleur• Stockage de GNL ou de gaz comprimé (LRC) en cavités revêtues• Stockage du CO2• Stockage d’électricité produite par les intermittents
• CAES• H2• Méthane de synthèse
Et toutes les nouvelles applications qui restent à imaginer…
De nouvelles applications: le stockage d’énergie
Stockage de GNL en cavités revêtues
Stockage de GNL en cavités revêtues
Concept développé en 2004 à travers un piloteen Corée
STOCKAGE D’ENERGIE
Stockage d’air comprimé (CAES)
Stockage d’électricité
Stockage
StockageStockage