Comment sont conçus les stockages souterrains de gaz : les méthodes appropriées pour stocker le gaz naturel

Il semblerait que les connaissances sur la façon dont sont conçus les stockages souterrains de gaz n'aient pas d'importance pratique pour l'utilisateur lambda. Mais l'humanité est trop dépendante du combustible « bleu » et l'on veut être sûr qu'il n'y aura jamais d'interruptions dans son approvisionnement. N'est-ce pas ?

Et chaque compatriote peut être rassuré par les informations sur les stockages de gaz souterrains (SSG) — tant qu'ils sont pleins, il n'y aura pas de problèmes d'approvisionnement en gaz. Pour en savoir plus sur la structure des stockages et les particularités du stockage, lisez notre article.

Structure des stockages souterrains de gaz

Si pour le stockage du gaz domestique, les propriétaires de maisons individuelles utilisent des gazomètres, à l'échelle de l'État, il s'agit de tout autres solutions de stockage. Ainsi, officiellement, les stockages souterrains de gaz sont des ensembles d'ouvrages techniques qui servent à l'injection, au stockage et au soutirage du gaz naturel. Ils sont constitués de composants de surface et souterrains.

Les composants de surface sont :

• un poste de distribution de gaz, qui sert à répartir le flux de gaz en plusieurs flux technologiques ;
• un atelier de compression, où le combustible est préparé (par augmentation de pression) pour l'injection dans les puits ;
• des installations d'épuration du gaz.

Les composants souterrains des SSG sont : les puits, les excavations, les réservoirs. Et ce dernier point (réservoirs) est le plus intéressant — c'est de l'endroit où est stocké le combustible « bleu » que dépend la conception du stockage de gaz lui-même.

Les stockages souterrains de gaz modernes ressemblent extérieurement à de grandes usines. Car pour assurer l'injection/l'extraction du combustible, il est nécessaire d'utiliser de puissants équipements de compression, d'épuration et autres. Ces équipements sont entretenus par des centaines, voire des milliers de spécialistes.

Aperçu des réservoirs de stockage de gaz

À poids égal, le gaz occupe des surfaces beaucoup plus grandes que tout corps solide. Et comme il est utilisé en quantités énormes, des réservoirs tout aussi grands sont nécessaires pour le stocker.

D'ailleurs, les spécialistes ont abandonné le stockage du gaz dans des réservoirs de surface fabriqués par l'homme il y a déjà un siècle.

La raison en est qu'il aurait fallu :

• occuper d'immenses surfaces de la planète avec des complexes de stockage de carburant « bleu » à basse pression ;
• utiliser des gazomètres coûteux et explosifs à haute pression.

En conséquence, pour atténuer les inconvénients mentionnés ci-dessus, le choix s'est porté sur les stockages souterrains, à savoir des réservoirs situés à une profondeur importante. Celle-ci, dans la plupart des cas, est comprise entre 300 et 1000 mètres. Et il est possible d'y stocker le carburant dans des réservoirs créés par la nature.

Au total, les ingénieurs ont appris à utiliser avec succès 7 types de réservoirs naturels pour le stockage du gaz :

• formés dans des couches poreuses saturées d'eau ;
• préservés après l'exploitation des hydrocarbures, à savoir du gaz et du pétrole ;
• formés dans des dépôts de sel gemme ;
• créés dans des excavations minières ;
• créés dans des roches solides de pergélisol ;
• avec une enveloppe de glace et de roche à basse température ;
• formés après des explosions atomiques souterraines.

Bien qu'il existe de nombreuses options, seules les 4 premières méthodes de stockage du gaz sont pratiques. Les autres types de réservoirs ne conviennent que théoriquement.

Le SSG de Severo-Stavropol est le plus grand du monde et ses réserves de gaz stocké peuvent satisfaire la demande annuelle en carburant d'un pays aussi grand que la France. En effet, la superficie du stockage est de 680 km².

La raison pour laquelle les trois variantes restantes sont peu pratiques est la suivante :

• Il est possible de stocker du gaz dans les roches gelées, comme en témoignent plusieurs stockages en activité dans les régions septentrionales de la planète. Mais leurs volumes sont extrêmement faibles, ils n'ont donc aucune valeur industrielle à ce jour.
• Les cavités créées par des explosions nucléaires souterraines sont tout à fait adaptées au stockage de grandes quantités de gaz, ce qui a déjà été démontré expérimentalement. Mais le fait est que ces armes puissantes ont été testées loin des habitations humaines. Par conséquent, il n'y a généralement ni consommateurs ni infrastructures techniques.

En conséquence, ces types de cavités sont tout simplement inutilisables.

Bien que les SSG soient appelés stockages, la conservation du gaz n'est pas leur tâche principale. En effet, le gaz qu'ils contiennent est principalement utilisé pour lisser les irrégularités de consommation. Celles-ci peuvent être quotidiennes, hebdomadaires ou saisonnières. Ce n'est qu'en dernier lieu que les SSG sont créés pour atténuer les conséquences de circonstances de force majeure.

Examinons maintenant plus en détail chacune des options de stockage souterrain du gaz.

Option n°1 — stockages dans des aquifères saturés en eau

Les stockages dans des couches saturées d'eau sont destinés à atténuer les effets de l'irrégularité saisonnière de la consommation de gaz, ainsi qu'à constituer des réserves stratégiques.

Une caractéristique importante de ces stockages est l'intervention humaine minimale — le plus souvent lors de la création de puits nécessaires à l'injection de gaz.

Sur la carte de la Russie, on voit que les stockages souterrains de gaz sont situés à proximité des gazoducs principaux et des grandes agglomérations. Et ce n'est pas un hasard, car les réservoirs sont destinés à assurer la stabilité de la consommation de gaz, raison pour laquelle ils doivent se trouver à proximité immédiate des grands sites.

Ces réservoirs sont recherchés dans les aquifères artésiens. Les stockages de gaz sont créés là où la structure rocheuse est perméable et poreuse. Les résidus de liquide sont éliminés par le gaz qui les comprime, puis les expulse.

Les soi-disant réservoirs de stockage de combustible n'en sont en réalité pas. Plus précisément, ils n'existent pas du tout — on utilise les vides dans les couches poreuses comme espace de stockage. Et toute la procédure de création d'un stockage souterrain de gaz consiste à repousser une partie de l'eau vers la périphérie. On fait cela afin de créer un espace pour le « combustible bleu ».

La procédure décrite ci-dessus ne peut être réalisée que si une série de facteurs y contribuent :

• Une couche poreuse et perméable est recouverte d'un dôme (couverture) de roches imperméables au gaz, qui sont généralement des argiles compactées.
• La nappe aquifère s'étend sur des dizaines de kilomètres à partir des limites du réservoir. Il est encore mieux si elle affleure à la surface. Tout ce qui précède permet au gaz de repousser avec succès l'eau présente dans la couche.
• L'étendue du dôme est suffisante pour permettre de stocker des volumes importants de gaz.
• La porosité et la perméabilité de la roche assurent une capacité de stockage acceptable et la capacité de restituer le gaz lors de l'exploitation.

Si au moins une de ces conditions n'est pas remplie, il sera impossible de créer un stockage souterrain.

Le principe de fonctionnement des stockages souterrains modernes est simple. On peut en examiner les caractéristiques à l'exemple des grands stockages souterrains de gaz utilisés pour lisser les irrégularités saisonnières.

Ainsi, généralement pendant la saison chaude, on y injecte la quantité de gaz nécessaire. On ne commence à en prélever qu'avec l'arrivée de la saison de chauffage. Et ce n'est pas une quantité énorme de gaz qui est envoyée dans le gazoduc principal, mais une quantité moyenne, connue par l'expérience d'exploitation des hivers précédents.

Et si soudainement la température chute brusquement et que la consommation quotidienne devient d'un ordre de grandeur supérieur, le grand stockage souterrain de gaz n'augmentera pas pour autant ses volumes de prélèvement. La pénurie sera couverte par de petits réservoirs destinés à lisser la consommation quotidienne et hebdomadaire. La raison en est qu'il est plus simple et plus rapide d'effectuer un prélèvement à partir de ceux-ci.

Les réservoirs d'une superficie de plusieurs kilomètres carrés sont considérés comme optimaux. Avec une différence de hauteur entre le fond et le sommet du dôme comprise entre 10 et 15 mètres.

L'avantage des stockages souterrains de gaz dans les aquifères est leur capacité importante. L'inconvénient est que les géologues, en étudiant les caractéristiques de l'horizon aquifère, peuvent ne pas détecter et prendre en compte un facteur important. En conséquence, le réservoir se révélera inutilisable.

Le plus grave est que cela est souvent découvert après d'énormes investissements dans la construction d'infrastructures de surface et souterraines. Des désagréments moins importants sont également fréquents, ce qui rend l'exploitation des stockages souterrains de gaz dans des roches saturées en eau sujette à des coûts imprévus considérables.

Option #2 — les réservoirs après l'extraction des hydrocarbures

Les complexes techniques de ce type servent à lisser les fluctuations saisonnières de la consommation de « carburant bleu ». Ils servent également à constituer des réserves stratégiques.

Les stockages souterrains sont très demandés car leur création et leur exploitation sont les plus avantageuses économiquement. Quant aux immenses gazomètres de surface (représentés sur la photo), ils sont utilisés lorsqu'il n'est pas possible d'utiliser des gazoducs principaux avec des stockages souterrains. De plus, dans les réservoirs illustrés sur la photo, on ne stocke généralement que du gaz liquéfié.

La conception des stockages de ce type est la même que celle des analogues créés dans les aquifères. C'est-à-dire que le combustible est stocké dans les vides des roches poreuses.

Les stockages souterrains de gaz créés dans des roches où se trouvaient auparavant des hydrocarbures sont les plus nombreux dans le monde. Leur proportion atteint ainsi 70 %, ce qui s'explique par une série d'avantages.

Parmi ceux-ci : une capacité importante et des économies sur les investissements dans l'exploration, la création d'infrastructures (ou du moins une partie), le forage — car l'endroit où ces stockages souterrains sont créés a déjà fait l'objet d'une extraction de pétrole et de gaz.

Il faut comprendre que les gazomètres enterrés ne sont pas des stockages souterrains. Ils sont conçus pour des tâches tout à fait différentes. Ils sont enfouis uniquement pour rendre l'évaporation du gaz liquéfié plus efficace par grand froid, et ce sans aucun coût. De plus, leur placement quasi souterrain permet d'économiser de l'espace utile, par exemple sur un terrain de jardin.

Cependant, on ne peut pas qualifier d'idéaux les réservoirs qui subsistent après l'extraction des hydrocarbures.

Ils présentent de nombreux inconvénients :

• des problèmes d'étanchéité des puits anciens – cela concerne particulièrement les anciens gisements de pétrole ;
• porosité et perméabilité insuffisantes des roches ;
• le mélange du gaz avec les résidus de pétrole – ce qui entraîne parfois des pertes substantielles, car le mélange obtenu ne peut plus être utilisé.

De plus, dans les gisements de pétrole, le gaz contient souvent une impureté dangereuse sous forme de sulfure d'hydrogène. Celui-ci est nocif pour la santé humaine et détruit toutes sortes de structures en acier, y compris celles en acier inoxydable.

L'exploitation des stockages souterrains de gaz (SSG) basés sur des gisements d'hydrocarbures épuisés est possible car le gaz, lors de l'injection, chasse les résidus de pétrole de la couche concernée. De plus, comme l'eau, il possède des propriétés de compressibilité et de mobilité, ce qui facilite l'aménagement du réservoir. Parfois, sous la pression du gaz, le pétrole n'est pas refoulé dans la roche mais remonte à la surface, ce qui devient une source de profit supplémentaire.

Option n°3 — réservoirs dans les dépôts de sel gemme

Ces réservoirs de gaz servent à lisser les irrégularités quotidiennes et hebdomadaires de son utilisation, et participent également au nivellement des irrégularités saisonnières. De plus, les stockages dans les couches de sel jouent avec succès le rôle de source de réserve pour les consommateurs importants.

Il n'existe que 2 méthodes de stockage souterrain du gaz qui soient couramment utilisées. À savoir dans des couches poreuses perméables et dans des cavernes lessivées dans des dépôts de sel. La première option est utilisée lorsqu'on a besoin de créer un grand stockage, la seconde – uniquement pour résoudre des problèmes locaux.

Ces SSG sont créés par lessivage d'une partie des dépôts de sel afin de créer une cavité de la taille souhaitée. Pour ce faire, on fore d'abord plusieurs puits, à travers lesquels de l'eau est injectée pendant une longue période.

Bien que la procédure décrite soit longue et coûteuse, elle est rentable car le stockage du gaz naturel injecté se fait sans pertes. La raison en est que les cavernes de sel sont étanches. De plus, elles possèdent un effet d'auto-guérison — les fissures tectoniques et autres se referment assez rapidement par des dépôts de sel.

L'avantage de ces stockages souterrains de gaz est que le prélèvement du volume de combustible nécessaire s'effectue pratiquement sans limitation de vitesse. Cette vitesse est plusieurs fois supérieure à celle des mêmes opérations dans des réservoirs d'autres types. Un autre avantage important des SSG aménagés dans des cavernes de sel est le taux de soutirage élevé — l'un des plus élevés parmi tous les types.

La roche pour le stockage du gaz doit être telle que montrée sur la photo. C'est-à-dire perméable et avec suffisamment d'espace pour contenir un grand volume de combustible. De plus, la structure de la couche doit permettre de chasser facilement l'eau et les résidus de pétrole.

Mais le nombre de cavernes dans les couches de sel ne dépasse pas 2 % du nombre total de stockages.

Plusieurs facteurs négatifs influencent cet indicateur :

• Présence d'une énorme quantité d'eau salée après le lessivage des cavernes pour le stockage du gaz. En conséquence, s'il n'y a pas de mer à proximité ou au moins d'usines de traitement du sel, il n'y a nulle part où mettre le liquide. C'est la principale raison du faible nombre de SSG de ce type.
• Diminution du volume utile pendant l'exploitation. Ce phénomène est dû à l'évaporation du sel dans les zones de pression plus élevée et à son accumulation là où elle est plus faible.
• Apparition d'impuretés dans le gaz, qui sont souvent des résidus de liquide ayant servi à laver la caverne.
• Volumes insignifiants, ce qui ne permet pas de constituer des réserves en quantités suffisantes.

En conséquence, les stockages de sel ne sont généralement utilisés que là où il n'est pas possible d'employer les types de contenants énumérés ci-dessus.

Option n°4 — SSG dans des excavations minières

Leurs volumes sont insignifiants. Néanmoins, les Suédois et les Norvégiens stockent une partie de leurs réserves stratégiques de gaz dans des conteneurs de ce type.

Le SSG dans les excavations minières est le seul stockage de gaz entièrement aménagé par l'homme. Ainsi, dans une mine, on crée une cavité par explosions, que l'on recouvre ensuite de plaques d'acier.

Voici à quoi ressemblent les cavités salines utilisées pour le stockage de gaz. Elles sont étanches et fiables, mais de dimensions limitées, elles ne conviennent donc que pour la création de SSG de faible volume. Et uniquement pour des besoins locaux. Par exemple, en Russie, sur les 27 stockages utilisés aujourd'hui, seuls 2 sont des cavités salines.

Bien que l'exploitation des SSG dans les mines abandonnées soit rentable en raison du taux et de la vitesse de soutirage élevés, leur nombre n'augmentera pas significativement dans un avenir proche. La raison est que ces stockages sont difficiles à construire, car il n'est pas toujours possible d'obtenir une étanchéité totale, ce qui entraîne des pertes importantes.

Cela se produit parce que lors de l'exploitation de la mine, on essaie d'y amener un maximum d'air. Pour cela, on crée un système de ventilation avec de nombreuses issues en surface, qu'il n'est pas toujours possible de sceller lors de l'aménagement du stockage.

En conséquence, il n'existe aujourd'hui que quelques exemples réussis de mise en œuvre de l'idée de stockage de gaz dans des mines abandonnées (en Suède, Norvège, Allemagne).

Les stockages sont-ils étanches ?

Les fuites de combustible sont des phénomènes fréquents, impossibles à éviter, car les causes sont trop nombreuses.

Pour plus de commodité, on les divise en 3 catégories :

• géologiques ;
• technologiques ;
• techniques.

Au groupe des causes géologiques appartiennent l'hétérogénéité des couvertures du SSG, la présence de failles tectoniques, ainsi que les particularités hydrodynamiques et géochimiques. Par exemple, le gaz peut simplement migrer le long de la couche, et les spécialistes ne peuvent rien y faire.

Les causes technologiques sont les plus fréquentes, car des erreurs surviennent régulièrement lors de l'évaluation de certains faits. Par exemple, l'efficacité des pièges hydrauliques, les réserves de gaz, les processus physico-chimiques en cours.

Souvent, pour atteindre les couches souhaitées, on utilise le forage de puits. Sa technologie ne diffère en rien des procédures similaires pour atteindre les gisements de gaz et de pétrole.

Les causes techniques sont le plus souvent liées à l'état des puits utilisés pour l'injection de gaz.

Particularités de la création des SSG

Dans 95% des cas, les stockages souterrains de gaz sont créés en expulsant l'eau par le gaz, des résidus de pétrole des couches poreuses. Ainsi, des « réservoirs » sont créés pour stocker le « carburant bleu ».

Et la caractéristique la plus importante est que le volume de gaz utilisé pour expulser les liquides ne peut par la suite être utilisé pour la fourniture aux consommateurs. Son rôle est d'empêcher le retour de l'eau et des résidus d'hydrocarbures à leur emplacement d'origine. Dans le cas contraire, le stockage cesserait tout simplement d'exister.

C'est-à-dire que ce gaz est tampon. Il représente généralement au moins la moitié du volume total injecté dans le stockage souterrain de gaz. Et dans certains cas, le gaz tampon est 3 fois plus important que celui qui peut être utilisé pour la fourniture aux consommateurs, appelé gaz actif.

Il est intéressant de noter qu'il est impossible de calculer à l'avance la quantité de gaz tampon. Autrement dit, tout est vérifié exclusivement de manière expérimentale. Cela peut prendre des années dans de nombreux cas. Mais néanmoins, lorsque le résultat obtenu n'est pas satisfaisant, le gaz tampon peut être entièrement évacué.

Ordre de remplissage du stockage

Après que les géologues ont effectué des études d'une couche et ont pris la décision qu'un stockage de gaz peut être créé à l'emplacement voulu, les producteurs de gaz construisent un complexe d'ingénierie.

Les stockages souterrains de gaz modernes sont le moyen le plus sécurisé de stocker les réserves de gaz. Mais leurs fuites fréquentes sont un grand problème pour les techniciens du gaz et les écologistes, qui considèrent ces cas comme un problème significatif pour l'environnement. Et il arrive aussi, comme montré sur la photo (au loin, on voit un incendie sur un des stockages souterrains de gaz hongrois).

Ensuite commence l'injection dans le futur stockage souterrain du gaz naturel, qui est amené depuis le gazoduc principal le plus proche. Et il arrive sur l'aire de purification où a lieu l'élimination de toutes sortes d'impuretés mécaniques.

Le carburant pur est acheminé vers le point de comptage et de mesurage. Ensuite, il se rend dans l'atelier de compression, où est effectué le comprimage — c'est ainsi qu'on appelle la préparation du gaz à l'injection dans le stockage. Cela consiste à augmenter la pression du gaz jusqu'à la valeur requise.

Ensuite, il est transporté vers les points de distribution de gaz. Où le flux général est divisé en plusieurs et entre dans différentes lignes technologiques. De là, par des conduites, il est acheminé vers les puits pour l'injection.

Tout au long du processus, les spécialistes contrôlent un certain nombre de paramètres, parmi lesquels la pression et la température du gaz, le débit de chaque puits.

Conclusions et vidéo utile sur le sujet

La vidéo ci-dessous est consacrée au thème de la création de stockages souterrains de gaz pour lisser la consommation irrégulière de carburant que fournira le gazoduc « Sila Sibiri ».

Les stockages souterrains de gaz sont le moyen le plus fiable et le plus avantageux de lisser les irrégularités de consommation de gaz et d'assurer un approvisionnement stable en cas de force majeure. Et le plus intéressant est que ce n'est pas le génie humain qu'il faut remercier, mais la nature, qui a prévu de créer des couches rocheuses appropriées à cet effet.

Avez-vous personnellement participé à la création de stockages souterrains de gaz et souhaitez-vous compléter le matériel ci-dessus avec des informations utiles ? Ou avez-vous remarqué une incohérence dans les faits ? Laissez vos remarques et commentaires – le bloc de commentaires se trouve ci-dessous sous l'article.