Ingénierie du stockage souterrain de Gaz Naturel. Jacques GRAPPE, GEOSTOCK

Ingénierie du stockage souterrain de Gaz Naturel Jacques GRAPPE, GEOSTOCK

Ingénierie du stockage souterrain de gaz naturel: aujourd hui et demain 1. Généralités 2. Les principales composantes d un stockage souterrain 3. Le stockage de gaz naturel en cavités salines 4. Le stockage de gaz naturel en milieu poreux 5. Les axes d innovation

Le stockage souterrain de gaz naturel: un maillonclé de la chaîne gazière 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-tampon Ces utilisations peuvent se combiner et un même stockage remplir plusieurs fonctions

Quelques définitions 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

Séquence type de développement d un stockage souterrain 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

Un historique de forte croissance Source: CEDIGAZ 2013 et des perspectives solides

Un déséquilibre de la répartition géographique 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. Région Am. du Nord (USA, Can.) Nombre 688 USA: 414 Can. : 59 % Gaz Utile (bcm) 377bcm % Cap. émission (mcm/d) 6800mcm/d (%) 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% P.m. Amérique du Sud: 1 site, Iran: 2 sites Source: CEDIGAZ

que l on retrouve au niveau des zones de croissance - 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

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Les principales composantes d un stockage souterrain 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 installations de surface 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 puits 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: forage

Les puits: forage

Les puits

Les puits

Les puits

Le réservoir souterrain Cavités salines Gaz naturel Hydrocarbures liquides Hydrocarbures liquéfiés Air comprimé Hydrogène Champs déplétés & Aquifères Gaz naturel Air comprimé CO 2 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.

Caractéristiques-types 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

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

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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

Des techniques voisines de celle de l E&P 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.

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Les meilleurs sites sont déjà occupés et les contraintes vont croissantes Macondo DES EXIGENCES CROISSANTES EN MATIERE DE QHSE Elgin Franklin HC non conventionnels Renouvelables Intermittentes STOCKAGE D ENERGIE Sécurité d approvisionnement COMPLEXITE CROISSANTE Complexité Technique Evolution rapide des marchés Acceptation par le Public, Contexte règlementaire

Quelques thèmes d actualité 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

De nouvelles applications: le stockage d énergie 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

Stockage de GNL en cavités revêtues STOCKAGE D ENERGIE Stockage de GNL en cavités revêtues Concept développé en 2004 à travers un pilote en Corée

Stockage d air comprimé (CAES)

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